AMC1303x：小尺寸高精度隔離式Δ-Σ調(diào)制器的技術(shù)剖析與應(yīng)用實(shí)踐

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于高精度、可靠的電流和電壓測(cè)量方案的需求始終存在。德州儀器（TI）的AMC1303x系列小尺寸、高精度、強(qiáng)化隔離式Δ-Σ調(diào)制器，憑借其出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為了眾多工程師的首選。今天就來(lái)深入剖析AMC1303x系列器件的技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)際應(yīng)用。

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一、AMC1303x系列器件概述

AMC1303x系列包含多個(gè)型號(hào)，如AMC1303E0510、AMC1303M0510等。該系列專為基于分流電阻的電流測(cè)量而優(yōu)化，具有引腳兼容的特點(diǎn)，提供±50mV或±250mV的輸入電壓范圍，以及曼徹斯特編碼或未編碼的位流選項(xiàng)，時(shí)鐘頻率有10MHz和20MHz可選。

1. 卓越特性

• 出色的直流性能：偏移誤差最大為±50μV或±100μV，偏移漂移最大為±1μV/°C，增益誤差最大為±0.2%，增益漂移最大為±40ppm/°C。
• 高瞬態(tài)抗擾度：典型值為100kV/μs，能有效抵抗瞬態(tài)干擾。
• 系統(tǒng)級(jí)診斷功能：可對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行診斷，提高系統(tǒng)可靠性。
• 安全相關(guān)認(rèn)證：符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的7000 (V{PK})強(qiáng)化隔離標(biāo)準(zhǔn)，以及UL1577的5000 (V{RMS})一分鐘隔離標(biāo)準(zhǔn)等。
• 寬溫度范圍：在-40°C至+125°C的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍內(nèi)完全規(guī)格化。

2. 應(yīng)用場(chǎng)景

該系列器件廣泛應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器、不間斷和隔離電源、功率因數(shù)校正電路等領(lǐng)域，用于基于分流電阻的電流傳感和隔離電壓測(cè)量。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)分析

1. 功能框圖與工作原理

AMC1303的模擬輸入級(jí)是一個(gè)全差分放大器，為二階Δ-Σ調(diào)制器級(jí)的開關(guān)電容輸入提供信號(hào)，將輸入信號(hào)數(shù)字化為1位輸出流。轉(zhuǎn)換器的隔離數(shù)據(jù)輸出DOUT提供一系列數(shù)字1和0，與CLKOUT引腳（僅AMC1303Mx型號(hào)有效）上的內(nèi)部生成時(shí)鐘同步，該時(shí)鐘頻率在開關(guān)特性表中指定。串行位流輸出的時(shí)間平均值與模擬輸入電壓成正比。

2. 各部分特性詳解

模擬輸入

AMC1303的前端電路包含差分放大器和采樣級(jí)，隨后是Δ-Σ調(diào)制器。差分放大器的增益由內(nèi)部精密電阻設(shè)置，對(duì)于±250mV輸入電壓范圍的器件為4倍，對(duì)于±50mV輸入電壓范圍的器件為20倍，從而導(dǎo)致差分輸入電阻分別為22kΩ和4.9kΩ。為了減少偏移和偏移漂移，差分放大器采用斬波穩(wěn)定技術(shù)，開關(guān)頻率設(shè)置為625kHz。

在設(shè)計(jì)中，如果信號(hào)源阻抗較高，需要考慮AMC1303的輸入電阻，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致增益和偏移規(guī)格的下降。此外，模擬輸入信號(hào)（AINP和AINN）有兩個(gè)限制：輸入電壓超出AGND - 6V至AVDD + 0.5V范圍時(shí)，需將輸入電流限制在10mA；差分模擬輸入電壓必須保持在指定的線性滿量程范圍（FSR）內(nèi)，即±250mV（AMC1303x25x）或±50mV（AMC1303x05x）。

調(diào)制器

AMC1303采用二階開關(guān)電容前饋Δ-Σ調(diào)制器，將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻。因此，需要在器件輸出端使用低通數(shù)字濾波器來(lái)提高整體性能，該濾波器還用于將高采樣率的1位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為低速率的高位數(shù)據(jù)字（抽?。?。TI的TMS320F2807x和TMS320F2837x微控制器系列提供了適用于AMC1303系列的可編程、硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，即sigma - delta濾波器模塊（SDFM）。

隔離通道信號(hào)傳輸

AMC1303使用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，通過(guò)基于(SiO_{2})的電容隔離屏障傳輸調(diào)制器輸出位流。發(fā)射器用內(nèi)部生成的480MHz載波調(diào)制位流，通過(guò)隔離屏障表示數(shù)字0，不發(fā)送信號(hào)表示數(shù)字1。接收器在進(jìn)行高級(jí)信號(hào)調(diào)理后解調(diào)信號(hào)并產(chǎn)生輸出。這種對(duì)稱設(shè)計(jì)提高了共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）性能，并減少了高頻載波引起的輻射發(fā)射。

數(shù)字輸出

理想情況下，0V的差分輸入信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高低電平各占50%的1和0的流。當(dāng)輸入電壓超出指定線性范圍時(shí)，調(diào)制器輸出會(huì)出現(xiàn)非線性行為，當(dāng)輸入小于或等于-320mV（AMC1303x05x為-64mV）時(shí)輸出全0流，當(dāng)輸入大于或等于320mV（AMC1303x05x為64mV）時(shí)輸出全1流。但在這種情況下，AMC1303每128個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)生成一個(gè)1（輸入為負(fù)滿量程時(shí)）或0，以指示設(shè)備正常工作。

曼徹斯特編碼特性

AMC1303Ex型號(hào)提供符合IEEE 802.3的曼徹斯特編碼特性，每個(gè)位至少產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換，支持從位流中恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)。曼徹斯特編碼的位流沒(méi)有直流分量，它通過(guò)異或（XOR）邏輯運(yùn)算將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信息結(jié)合在一起。

3. 器件功能模式

故障安全輸出

當(dāng)高側(cè)電源電壓AVDD缺失或輸入共模電壓達(dá)到或超過(guò)指定的共模過(guò)壓檢測(cè)電平(V_{CMov})時(shí)，AMC1303會(huì)將DOUT和CLKOUT（僅AMC1303Mx）輸出設(shè)置為穩(wěn)態(tài)邏輯1。穩(wěn)態(tài)邏輯1在事件發(fā)生后兩個(gè)時(shí)鐘周期出現(xiàn)在DOUT輸出上，AMC1303Mx的CLKOUT引腳需要再經(jīng)過(guò)256個(gè)時(shí)鐘周期保持邏輯1。

滿量程輸入時(shí)的輸出行為

當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)削波電壓（(vert V{IN}vert geq vert V{Clipping}vert)）時(shí)，AMC1303會(huì)根據(jù)被感測(cè)信號(hào)的實(shí)際極性，每128個(gè)時(shí)鐘周期生成一個(gè)0或1。這樣可以在系統(tǒng)級(jí)別區(qū)分AVDD缺失和滿量程輸入信號(hào)。

三、應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)踐

1. 數(shù)字濾波器的使用

調(diào)制器生成的位流需要通過(guò)數(shù)字濾波器處理，以獲得類似于傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字字。對(duì)于二階調(diào)制器，sinc3型濾波器在硬件規(guī)模最小的情況下提供最佳輸出性能。本文檔中的所有特性表征均使用過(guò)采樣比（OSR）為256、輸出字長(zhǎng)為16位的sinc3濾波器完成。

2. 典型應(yīng)用案例

頻率逆變器應(yīng)用

在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等頻率逆變器設(shè)計(jì)中，AMC1303Mx和AMC1303Ex型號(hào)都有廣泛應(yīng)用。通常使用分流電阻進(jìn)行電流傳感，還可以使用額外的AMC1303器件支持直流母線的隔離電壓傳感。

在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮高側(cè)和低側(cè)電源電壓、分流電阻上的電壓降等參數(shù)。選擇合適的分流電阻值，確保標(biāo)稱電流范圍內(nèi)的電壓降不超過(guò)推薦的差分輸入電壓范圍，最大允許過(guò)電流下的電壓降不超過(guò)導(dǎo)致削波輸出的輸入電壓。對(duì)于調(diào)制器輸出位流濾波，可以使用TI的TMS320F2807x或TMS320F2837x系列微控制器，這些系列支持多達(dá)八個(gè)通道的專用硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

在電機(jī)控制應(yīng)用中，對(duì)于過(guò)電流檢測(cè)需要非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間。由于sinc3濾波器在輸入階躍信號(hào)時(shí)需要三個(gè)數(shù)據(jù)更新才能完全穩(wěn)定，因此對(duì)于過(guò)電流保護(hù)，較低OSR的sinc2濾波器是更好的選擇。

隔離電壓傳感

AMC1303也適用于隔離電壓傳感應(yīng)用，但需要考慮輸入偏置電流的影響。在使用AMC1303x25x進(jìn)行隔離電壓傳感時(shí)，通過(guò)高值電阻（R1和R2）作為分壓器，選擇合適的傳感電阻R3以滿足AMC1303的輸入電壓范圍。由此產(chǎn)生的總增益誤差可以通過(guò)初始系統(tǒng)級(jí)增益校準(zhǔn)程序進(jìn)行最小化。

3. 電源供應(yīng)建議

在典型的頻率逆變器應(yīng)用中，AMC1303的高側(cè)電源（AVDD）通常直接從上部柵極驅(qū)動(dòng)器的浮動(dòng)電源獲取，使用齊納二極管或低成本低壓差穩(wěn)壓器（LDO）來(lái)限制電壓，并使用0.1μF和2.2μF - 10μF的電容器進(jìn)行去耦。浮動(dòng)接地參考（AGND）來(lái)自分流電阻的一端，應(yīng)將接地連接作為單獨(dú)的走線引至分流電阻，以減少偏移并提高精度。

在控制器側(cè)，使用0.1μF和2.2μF的電容器對(duì)數(shù)字電源（DVDD）進(jìn)行去耦，應(yīng)盡可能靠近AMC1303的DVDD引腳放置。

4. 布局設(shè)計(jì)

為了獲得最佳性能，應(yīng)將去耦電容器盡可能靠近AMC1303放置，分流電阻和抗混疊濾波器組件應(yīng)盡可能靠近AINP和AINN輸入。保持兩個(gè)連接的布局對(duì)稱，避免在設(shè)備通電時(shí)讓輸入浮空。

四、總結(jié)與展望

AMC1303x系列器件憑借其出色的性能、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在電流傳感和隔離電壓測(cè)量領(lǐng)域提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要充分考慮器件的各種特性和要求，合理選擇參數(shù)和設(shè)計(jì)布局，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于高精度、高可靠性測(cè)量器件的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。AMC1303x系列器件也有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為推動(dòng)電子行業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。各位工程師在使用過(guò)程中如果遇到問(wèn)題，歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享，共同探索更好的設(shè)計(jì)方案。