本期為大家?guī)淼氖恰陡綦x式電流檢測的設(shè)計注意事項》，本文圍繞車載充電器、串式逆變器、電機驅(qū)動器等高壓應(yīng)用，詳細(xì)說明隔離式放大器選型的核心要素：隔離級別與關(guān)鍵參數(shù)、隔離柵高側(cè)供電方案、輸入電壓范圍匹配方法，幫你快速選對適配系統(tǒng)的隔離式放大器。

引言

工業(yè)和汽車應(yīng)用(例如車載充電器、串式逆變器和電機驅(qū)動器)需要某種類型的隔離式電流測量以驅(qū)動電流控制環(huán)路的反饋算法，同時保護(hù)數(shù)字電路免受執(zhí)行某種功能的高壓電路的影響。

高性能隔離式放大器是用于跨隔離柵傳輸電流測量數(shù)據(jù)的出色器件。但是，選擇正確的隔離式放大器并非易事。選擇隔離式放大器時，有許多決定因素需要考慮，例如隔離規(guī)格、如何為高側(cè)供電以及選擇輸入電壓范圍。本文將詳細(xì)說明這些決定因素，以幫助您選擇更適合特定系統(tǒng)的隔離式放大器。

第一步：

確定隔離級別與核心參數(shù)

選擇用于隔離式電流測量的器件時，第一步便是確定所需的隔離級別。有兩個隔離級別：基本隔離和增強型隔離。系統(tǒng)架構(gòu)和終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)(例如有關(guān)電機驅(qū)動器的國際電工委員會(IEC)61800和有關(guān)醫(yī)療設(shè)備的IEC 60601)將規(guī)定所需的隔離級別。

用于量化隔離柵性能的主要規(guī)格如下：

隔離工作電壓是指在均方根電壓中定義并且隔離式放大器在整個運行壽命期間可持續(xù)承受的最大電壓。

共模瞬態(tài)抗擾度描述了隔離式放大器可承受(無錯誤)的接地電位差的最大變化率。

隔離瞬態(tài)過壓是指在峰峰值電壓中定義并且隔離式放大器可耐受60s的電壓。

符合IEC 60065的電涌額定值(脈沖電壓額定值)是指隔離式放大器可無故障耐受的1.2μs/50μs電壓幅度。

一些終端設(shè)備制造商的產(chǎn)品通過了第三方認(rèn)證，目的是驗證這些產(chǎn)品是否符合隔離規(guī)格。隔離式放大器本身并未按照這些規(guī)格衡量，因為它們是終端設(shè)備的內(nèi)部元件，終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)僅間接適用于它們。實際上，這些元件根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(DIN)德國電氣工程師協(xié)會(VDE)V 0884-11和美國保險商實驗室(UL)1577等器件級認(rèn)證來衡量。如IEC標(biāo)準(zhǔn)中所述，符合元件級標(biāo)準(zhǔn)且具有同等要求的器件無需接受單獨評估。這也適用于國際無線電干擾特別委員會(CISPR)輻射發(fā)射電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)。

第二步：

搞定隔離柵高側(cè)供電方案

選擇隔離式放大器時，下一步則是確定如何在隔離柵的高側(cè)為隔離式放大器供電。

設(shè)計此部分電路時，請注意，高側(cè)電源電壓必須隨所測電流的共模輸入電壓而浮動。這意味著對于多相電流測量，每個相位都需要一個帶有獨立高側(cè)電源的隔離式放大器。高側(cè)電源電路設(shè)計錯誤會導(dǎo)致超出絕對最大模擬輸入電壓額定值，從而造成器件永久損壞。

有三個可為隔離式放大器的高側(cè)供電的主要設(shè)計方案：

方案一

第一個設(shè)計方案是設(shè)計一個分立的隔離式變壓器電路，以便從低側(cè)向隔離式放大器的高側(cè)提供電壓。這種方法將需要選擇一個隔離式變壓器、一個變壓器驅(qū)動器(例如TI的SN6501)和一個低壓差穩(wěn)壓器(例如TI的TLV704)。盡管易于設(shè)計，但是此方案需要較大的電路板面積和若干器件。圖1展示了AMC1300評估模塊(EVM)頂部的實現(xiàn)示例。

圖1. 具有隔離式變壓器的 AMC1300 EVM

方案二

第二個設(shè)計方案(如圖2所示)是使用浮動高側(cè)柵極驅(qū)動器電源(通常為15V)和并聯(lián)穩(wěn)壓器(例如齊納二極管)將電壓下調(diào)至5V。該設(shè)計方案的示例請見器件數(shù)據(jù)表，例如AMC1300B-Q1增強型隔離式放大器。盡管此設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)高效，但是布局限制以及柵極驅(qū)動器電源接地基準(zhǔn)與放大器接地基準(zhǔn)之間的寄生阻抗會導(dǎo)致共模輸入電壓越限和瞬態(tài)誤差。

方案三

第三個設(shè)計方案(如圖3所示)最為簡單，使用具有集成直流/直流轉(zhuǎn)換器的器件。具有集成直流/直流轉(zhuǎn)換器的隔離式放大器(例如TI的AMC3302)大幅減小了解決方案的尺寸，降低了復(fù)雜度和系統(tǒng)成本，可提供出色的轉(zhuǎn)換效率，并允許靈活放置分流電阻器。

第三步：

精準(zhǔn)選擇輸入電壓范圍

選擇隔離式放大器時，最后一個步驟就是選擇器件的輸入電壓范圍。為電流檢測而進(jìn)行了優(yōu)化的大多數(shù)隔離式放大器都可以選擇±50mV或±250mV線性輸入電壓范圍。確定哪個輸入電壓范圍適合此應(yīng)用，這取決于所測電流的幅度和分流電阻器的大小。通常，具有高電流幅度的系統(tǒng)要求輸入范圍較小(例如±50mV)的隔離式放大器。具有相對較低電流幅度的系統(tǒng)會受益于稍大的輸入電壓范圍(±250mV)，這樣便可實現(xiàn)更高的信噪比。

圖2. AMC1300B-Q1 和浮動電源

圖3. 具有內(nèi)部直流/直流轉(zhuǎn)換器的

AMC3302 隔離式放大器

參考公式

選擇輸入電壓范圍時，需要考慮兩個公式：歐姆定律(請參閱方程式1)以及在電阻器中耗散的功率(請參閱方程式2)：

方程式1和方程式2

這兩個公式?jīng)Q定了在更大限度增大隔離式放大器的滿量程輸入范圍與分流電阻器中的功耗值之間如何權(quán)衡。如電流和電阻值已提供，則可根據(jù)方程式1計算出分流電阻器兩端的壓降。嘗試使該電壓范圍盡可能接近隔離式放大器的滿量程輸入電壓范圍，因為兩個值之間的不匹配都會導(dǎo)致分辨率的直接損失。

方程式2可量化分流電阻器中的功率耗散。這很重要，因為一旦通過電阻器消耗的功率達(dá)到額定功率耗散的一半，分流電阻器就會開始因為自發(fā)熱而產(chǎn)生溫漂(根據(jù)電阻器的溫漂規(guī)格)，從而導(dǎo)致增益誤差。為了避免因自發(fā)熱引起的過多分流溫漂，通常情況下，最好將分流電阻器的標(biāo)稱功率耗散限制為等于或小于額定功率耗散的八分之一。

例如，如果對電流的要求是標(biāo)稱電流為18A而最大電流為52A，已知線性輸入電壓范圍有兩個選項(±50mV和±250mV)，并且還已知曉最大電流，則可計算出理想的分流電阻值以滿足這兩種選擇情況下的滿量程輸入范圍：

方程式3

找出最接近的標(biāo)準(zhǔn)分流電阻器值：

方程式4

將這些值代入方程式1，計算出分流電阻器兩端產(chǎn)生的滿量程壓降：

方程式5

請注意，從理想計算值到最接近標(biāo)準(zhǔn)值的電阻值略有增加，這會導(dǎo)致滿量程輸入電壓范圍大于隔離式放大器的線性滿量程輸入范圍。這說明對于滿量程電流幅度而言，所產(chǎn)生的電壓幅度將不再處于隔離式放大器輸入的線性范圍內(nèi)。隔離式放大器在開始削波之前，通常具有超出線性輸入電壓范圍的額外輸入電壓范圍。在此范圍內(nèi)(對于±250mV器件，通常高達(dá)±280mV;對于±50mV器件，通常高達(dá)±56mV)，數(shù)據(jù)表中未規(guī)定隔離式放大器的精度;但是，隔離式放大器將繼續(xù)以類似于線性范圍的精度輸出電壓。在某些應(yīng)用中，如果與標(biāo)稱測量值相比，最大電流幅度的精度要求相對寬松，那么這是可接受的。

計算功耗

接下來，使用標(biāo)準(zhǔn)電阻值和標(biāo)稱電流幅度來計算分流電阻器中的功耗，這里假設(shè)分流電阻器中的功耗額定值為3W。

方程式6

可采取額外的措施來減少分流電阻器中散發(fā)的熱量，例如形成較大的印刷電路板平面，或者使用散熱器或風(fēng)扇。在電流很大的應(yīng)用中，可使用運算放大器來獲取輸入信號，從而更大限度地增大輸入范圍，以便與隔離式放大器的滿量程輸入范圍相匹配。

在測量高標(biāo)稱電流幅度的大多數(shù)應(yīng)用中，一個好方法是選擇具有較小輸入電壓范圍(±50mV)的隔離式放大器，例如TI的AMC1302或AMC3302。

確認(rèn)功率耗散

最后一步是確認(rèn)最大電流幅度下的功率耗散未超過分流電阻器的額定功率耗散，因為超過額定功率耗散會使分流電阻器永久損壞。

方程式7

結(jié)語

在車載充電器、串式逆變器和電機驅(qū)動器等終端設(shè)備中設(shè)計隔離式電流檢測電路時，如果選擇隔離式放大器，有多個決定因素需要考慮?？紤]的關(guān)鍵因素是隔離規(guī)格、高側(cè)電源和輸入電壓范圍。通過使用適合系統(tǒng)要求的正確隔離式放大器，就可以實現(xiàn)設(shè)計，而不必?fù)?dān)心如何通過終端設(shè)備認(rèn)證、超過絕對最大模擬輸入電壓額定值或引起分流電阻器過度自發(fā)熱的問題。