AMC1301 это точный, изолирующий усилитель, создающий защитный барьер для электромагнитных помех между измерительными входами и остальной частью системы. Изолирующий барьер сертифицирован на гальваническую изоляцию по пиковому напряжению до 7 kV, в соответствии с требованиями VDE V 0884-10 и UL1577. При использовании вместе с изолированными источниками питания этот усилитель защищает входы устройства от тока помех и высокого синфазного напряжения, не давая входным напряжениям соединиться с цепью локальной земли системы или повредить чувствительные схемы АЦП.
Функциональные возможности AMC1301:
• Диапазон входных напряжений ±250 mV, оптимизированный для измерения тока на резисторе шунта. • Низкая ошибка смещений и дрейф: ±200 uV при 25°C, ± 3 uV/°C. • Фиксированное усиление 8.2. • Очень низкая ошибка и изменение усиления: ±0.3% при 25°C, ± 50 ppm/°C. • Очень низкая нелинейность и температурный дрейф: 0.03%, 1 ppm/°C. • Рабочее напряжение питания 3.3V по обоим сторонам барьера изоляции (High-Side и Low-Side). • Функции диагностики системного уровня. • Сертификации по безопасности: – 7000-VPK Reinforced Isolation per DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10): 2006-12. – 5000-VRMS Isolation for 1 Minute per UL1577. – стандарты CAN/CSA No. 5A-Component Acceptance Service Notice, IEC 60950-1, и IEC 60065 End Equipment. • Совместимость с расширенным индустриальным диапазоном температур.
Основные сферы применения:
• Измерение тока с помощью резисторного шунта в драйверах моторов, силовых частотных инверторах, бесперебойных источниках питания. • Изолированное измерение напряжения.
Вход AMC1301 оптимизирован для прямого подключения к резисторам шунта или другим источникам сигнала с низким напряжением. Встроенная система детектирования синфазного перенапряжения и пропадания напряжения на высоковольтной стороне AMC1301 позволяет упростить разработку и диагностику системы.
AMC1301 полностью поддерживает индустриальный диапазон температур –40°C .. +125°C. Вариант исполнения AMC1301S поддерживает диапазон температур –55°C .. +125°C. Микросхема поставляется в корпусе 8-pin SOIC (DWV) размером 5.85 mm x 7.50 mm.
Напряжение питания между VDD1 и GND1, или VDD2 и GND2
–0.3
7
V
Аналоговое входное напряжение VINP, VINN
GND1 – 6
VDD1 + 0.5
V
Входной ток в любой вывод, кроме выводов питания
–10
10
mA
Температура кристалла (Junction temperature, TJ)
150
°C
Температура хранения, Tstg
–65
150
°C
Примечание: стрессовые значения эксплуатации, находящиеся близко к указанным в таблице, могут привести к необратимому повреждению устройства. Эти параметры даны только для стресс-рейтинга, и не подразумевается надежное функционирование устройства в условиях, отличающихся от рекомендованных (см. ниже врезку "Рекомендуемые рабочие условия").
Human-body model (HBM), per ANSI/ESDA/JEDEC JS-001(1)
±2000
V
Charged-device model (CDM), per JEDEC specification JESD22-C101(2)
±1000
Примечания:
(1) Документ JEDEC JEP155 устанавливает, что модель тела человека 500-V HBM позволяет осуществлять безопасное производство со стандартными методами контроля ESD. (2) Документ JEDEC JEP157 устанавливает, что модель 250-V CDM позволяет осуществлять безопасное производство стандартными со методами контроля ESD.
Метот теста по IEC 60065, 1.2/50-мкс сигнал, VTEST = 1.6 x VIOSM = 10000 VPK (квалификация)
6250
VPK
qpd
Допустимый заряд(4)
Метод a, после входного/выходного теста безопасности подгруппы 2 / 3, Vini = VIOTM, tini = 60 сек, Vpd(m) = 1.2 x VIORM = 1800 VPK, tm = 10 сек
≤ 5
pC
Метод a, после тестов окружения подгруппы 1, Vini = VIOTM, tini = 60 сек, Vpd(m) = 1.6 x VIORM = 2400 VPK, tm = 10 сек
≤ 5
Метод b1, тест на подпрограмме (100% производство) и предварительном кондиционировании (тест типа), Vini = VIOTM, tini = 1 сек, Vpd(m) = 1.875 x VIORM = 2812.5 VPK, tm = 1 сек
≤ 5
CIO
Емкость барьера между входом и выходом(5)
VIO = 0.5 VPP на 1 МГц
1.2
пФ
RIO
Сопротивление изоляции между входом и выходом(5)
VIO = 500V при TS = 150°C
> 109
Ом
Степень загрязнения
2
Климатическая категория
AMC1301
40/125/21
AMC1301S
55/125/21
UL1577
VISO
Withstand isolation voltage
VTEST = VISO = 5000 VRMS или 7000 VDC, t = 60 сек (квалификация), VTEST = 1.2 x VISO = 6000 VRMS, t = 1 сек (100% производственный тест)
5000
VRMS
Примечания:
(1) Применяйте требования к коррозийной стойкости и зазорам в соответствии с специфичными требованиями к изоляции оборудования приложения. При проектировании печатной платы следует уделить особое внимание этим требованиям, чтобы гарантировать, что места крепления платы не уменьшали эти требуемые интервалы. Техники наподобие вырезов и барьеров на плате помогают помочь в реализации необходимых параметров изоляции. (2) Этот соединитель походит для безопасной изоляции только в пределах своих рейтингов безопасности. Соответствие этим рейтингам безопасности должно обеспечиваться подходящими защитными схемами. (3) Тестирование выполняется на воздухе или в масле, чтобы определить стойкость барьера изоляции. (4) Допустимый заряд - это электрический разряд, вызванный частичным разрядом (partial discharge, pd). (5) Все выводы на каждой стороне барьера соединены вместе, формируя устройство с двумя выводами.
Сертифицировано в соответствии с DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10): 2006-12, DIN EN 60950-1 (VDE 0805 Teil 1): 2014-08, и DIN EN 60065 (VDE 0860): 2005-11
Принято программами распознавания компонентов 1577 и приемкой CSA NO 5
Усиленная изоляция
Одиночная защита
Номер сертификата: 40040142
Номер файла: E181974
Ограничения по безопасности, показанные в таблице ниже, предназначены для предотвращения потенциального повреждения изоляционного барьера в случае отказа во входных или выходных цепях (I/O). Подобный отказ может привести к низкому сопротивлению между землей и шиной питания, и в случае отсутствия ограничения тока может привести к чрезмерной рассеиваемой мощности, которая в свою очередь привести к перегреву, повреждению узлов микросхемы или изоляционного барьера, что потенциально может повредить связанные части системы.
Параметр
Условия тестирования
MAX
Ед.
IS
Безопасный входной, выходной ток, или ток питания
RθJA = 110.1°C/Вт, VI = 5.5V, TJ = 150°C, TA = 25°C
206
мА
RθJA = 110.1°C/Вт, VI = 3.6V, TJ = 150°C, TA = 25°C
315
PS
Безопасная входная, выходная мощность, или мощность по питанию(1)
RθJA = 110.1°C/Вт, TJ = 150°C, TA = 25°C
1135
мВт
TS
Максимальная безопасная температура
150
°C
Примечание (1): входная, выходная мощность или сумма входной и выходной мощности не должна превышать это значение.
Максимальная безопасная температура (maximum safety temperature) это максимальная температура кристалла, указанная для этого устройства. Рассеивание мощности и температурное сопротивление кристалл-воздух устройства, установленного в конкретной аппаратуре, определяет температуру кристалла. Предполагается, что температурное сопротивление кристалл-воздух в таблице "Температурные параметры" относится к устройству в корпусе SMD, установленному на тестовую плату high-K. Рассеиваемая мощность соответствует рекомендуемому максимальному входному напряжению и току. Тогда температура кристалла определяется температурой окружающего воздуха и термосопротивлением кристалл-воздух.
Минимальные и максимальные параметры применимы для условий TA = –40°C .. +125°C (для AMC1301S: TA = –55°C to +125°C), VDD1 = 3.0 V .. 5.5 V, VDD2 = 3.0 V .. 5.5 V, VINP = –250 mV .. +250 mV и VINN = 0V (если не указано нечто другое); типовые параметры применимы для условий TA = 25°C, VDD1 = 5V и VDD2 = 3.3V.
Параметр
Условия тестирования
MIN
TYP
MAX
Ед.
Аналоговый вход
VClipping
Дифференциальное напряжение на входе перед началом ограничения
VINP – VINN
±302.7
mV
VFSR
Диапазон дифференциального входного рабочего напряжения (full scale range)
–250
250
VCM
Диапазон синфазного входного напряжения
От (VINP + VINN) / 2 до GND1
–0.16
VDD1 – 2.1
V
Абсолютное дифференциальное входное напряжение(1)
–2
VDD1
VCMov
Уровень детектирования превышения синфазного напряжения
VDD1 – 2
VOS
Входное напряжение смещения
Изначально, при TA = 25°C, VINP = VINN = GND1
–200
±50
200
μV
TCVOS
Дрейф смещения входа
AMC1301
–3
±1
3
μV/°C
AMC1301S
–4
±1
4
CMRR
Коэффициент подавления синфазного сигнала
fIN = 0 Гц, VCMmin ≤ VCM ≤ VCMmax
–93
dB
fIN = 10 кГц, VCMmin ≤ VCM ≤ VCMmax
–93
CIND
Дифференциальная входная емкость
1
пФ
RIN
Входное сопротивление одного входа
VINN = GND1
18
кОм
RIND
Дифференциальное входное сопротивление
22
IIB
Входной ток смещения
VINP = VINN = GND1, IIB = (IIBP + IIBN) / 2
–41
–30
–24
μA
TCIIB
Дрейф входного тока смещения
1
nA/°C
BWIN
Полоса частот
1000
кГц
Аналоговый выход
Номинальное усиление
8.2
EG
Ошибка усиления
Изначально, при TA = 25°C
–0.3
±0.05
0.3
%
TCEG
Ошибка усиления из-за температурного дрейфа
AMC1301
–50
±15
50
ppm/°C
AMC1301S
–60
±15
60
Нелинейность
–0.03
±0.01
0.03
%
Дрейф нелинейности
1
ppm/°C
THD
Общий коэффициент гармонических искажений (Total Harmonic Distortion)
–87
dB
Выходной шум
VINP = VINN = GND1, fIN = 0 Гц, BW = 100 кГц
220
μVRMS
SNR
Отношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio)
fIN = 1 кГц, BW = 10 кГц
80
84
dB
fIN = 10 кГц, BW = 100 кГц
71
PSRR
Коэффициент подавления помех по питанию (Power-Supply Rejection Ratio)
Примечание (1): Установившееся напряжение поддерживается устройством в случае системного отказа. См. значение синфазного напряжения (common-mode input voltage, VCM) для нормального функционирования. Диапазон отслеживаемого входного напряжения указан в таблице предельных допустимых абсолютных значений.
Примечание: диаграммы/графики типовых характеристик см. в оригинальном даташите [1].
[Подробное описание работы]
Входной каскад AMC1301 состоит из полноценного дифференциального усилителя, который управляет delta-sigma (ΔΣ) модулятором второго порядка. Этот модулятор использует внутренний источник опорного напряжения и тактовый генератор для преобразования аналогового входного сигнала в поток бит цифрового сигнала. Драйверы (обозначенные TX на функциональной блок-схеме ниже) передают этот сигнал модулятора через изоляционный барьер, разделяющий домены напряжений "high-side" и "low-side". Принимаемый на low-side поток бит синхронизируется и обрабатывается аналоговым фильтром четвертого порядка, и передается на дифференциальный выход устройства, как это показано на функциональной блок-схеме.
Емкостный барьер изоляции, основанный на оксиде кремния SiO2, поддерживает высокий уровень защиты от магнитного поля, как это описано в [2]. Цифровая модуляция, используемая в AMC1301, и характеристики барьера создают высокую степень защиты от перепадов синфазного напряжения.
Аналоговый вход. На входе AMC1301 стоит полноценный дифференциальный усилитель, за которым идет каскад ΔΣ-модулятора, с помощью которого происходит преобразование аналоговых выборок сигнала в поток бит. Усиление дифференциального усилителя 4 раза, устанавливается внутренними точными резисторами. Входное сопротивление дифференциального усилителя составляет 22 кОм. Имейте в виду, что входное сопротивление AMC1301 в разработках с высокоомными источниками сигнала может привести к потере усиления и ухудшению параметров ухода смещения. Однако важность этого фактора зависит от требований к системе.
Дополнительно входной ток смещения, вызванный внутренним синфазным напряжением на выходе дифференциального усилителя приводит к тому, что смещение зависит от реальной амплитуды входного сигнала. Подробнее для рекомендаций по снижению этого эффекта см. секцию "Изолированное измерение напряжения".
Есть два ограничения на аналоговые входные сигналы (VINP и VINN). Во-первых, если входное напряжение превысит диапазон от GND1 – 6 V до VDD1 + 0.5 V, то входной ток должен быть ограничен 10 мА, потому что включится защита входа от статики (ESD protection). Второе ограничение - параметры по линейности и шумам устройства гарантируются только когда аналоговые входные напряжения остаются в пределах указанного линейного диапазона полной шкалы (full-scale range, FSR) и в пределах указанного диапазона входного синфазного напряжения.
Выход с диагностикой отказа (Fail-Safe Output). AMC1301 предоставляет специальное выходное состояние ошибки (fail-safe output) что упрощает диагностику на системном уровне. Функция fail-safe output активна в двух случаях:
• когда у AMC1301 пропало напряжение питания high-side VDD1, или • когда синфазное входное напряжение VCM = (VINP + VINN) / 2, превысило минимально допустимый уровень детектирования перенапряжения VCMov от VDD1 – 2 V.
Fail-safe output AMC1301 это отрицательное дифференциальное напряжение на выходе, которое отличается от отрицательного ограничительного выходного напряжения (negative clipping output voltage), что показано на рис. 47 и рис. 48. В качестве опорного напряжения для детектирования fail-safe на уровне системы используется максимальное значение VFAILSAFE = –2.545V.
Рис. 48. Типовая сигнализация об ошибке (Failsafe Output) AMC1301.
AMC1301 находится в нормальном рабочем режиме, когда поданы напряжения VDD1 и VDD2, как это указано параметрами во врезке "Рекомендуемые рабочие условия".
[Информация по применению AMC1301]
AMC1301 обладает уникальной линейностью, высокой степенью подавления синфазного напряжения и влияния изменения напряжения питания, низкими ошибками AC и DC и низким температурным дрейфом параметров. Это делает AMC1301 надежным, высокопроизводительным, изолированным усилителем для индустриальных применений, где необходима высоковольтная гальваническая изоляция входа.
Применение в силовых частотных инверторах. Изолированные усилители широко применяются для контроля тока в частотных инверторах, которые являются критическим местом в промышленных драйверах моторов, источника бесперебойного питания, электрических и гибридных автомобилях и т. п. Входная структура AMC1301 оптимизирована для использования с низкоомными резисторами шунта. Рис. 49 показывает типовое включение AMC1301 для измерения тока силового инвертора. Измерение тока фазы осуществляется с помощью резистора RSHUNT (в данном примере применен обычный двухвыводный шунт). Дифференциальный вход и высокая защищенность от синфазного напряжения по входу AMC1301 гарантирует надежное и точное функционирование даже в условиях высокой зашумленности (как часто бывает в силовом каскаде привода электродвигателя).
Рис. 49. Подключение AMC1301 к датчику тока в частотном инверторе.
Дополнительно AMC1301 может использоваться для изолированного измерения напряжения сети постоянного тока, что описано в секции "Изолированное измерение напряжения".
В таблице 1 перечислены параметры для типового приложения рис. 49.
Таблица 1. Требования к дизайну.
Параметр
Значение
Напряжение питания high-side
3.3V или 5V
Напряжение питания low-side
3.3V или 5V
Падение напряжение на шунте при соблюдении линейного отклика
± 250 mV (максимум)
Напряжение питания изолированной высоковольтной входной части (high-side VDD1) для AMC1301 берется от источника питания драйвера верхнего ключа инвертора. Дополнительные подробности см. в разделе "Рекомендации по питанию".
Плавающая земля GND1 подключена к одному из выводов резистора шунта, который также подключен к отрицательному входу AMC1301 (VINN). Если используется 4-выводный шунт, то входы AMC1301 подключаются к внутренним (слаботочным) выводам шунта, а GND1 подключается к одному внешних выводов (силовых) шунта.
Для вычисления падения напряжения на резисторе шунта (VSHUNT) при желаемом измеряемом токе используйте обычный закон Ома: VSHUNT = I * RSHUNT.
Обратите внимание на два ограничения при выборе правильного номинала резистора шунта RSHUNT:
• Падение напряжения, вызванное номинальным током через шунт, не должно превышать рекомендованный диапазон дифференциального входного напряжения: VSHUNT ≤ ± 250 mV. • Падение напряжения, вызванное максимально допустимым током перегрузки не должно превышать входное напряжение, которое вызывает ограничение на выходе: VSHUNT ≤ VClipping.
Для улучшения производительности используйте RC-фильтр (компоненты R2, R3 и C3 на рис. 49), чтобы уменьшить шум в дифференциальном выходном сигнале. Адаптируйте полосу этого RC-фильтра к требованиям полосы пропускания системы. Компания TI рекомендует для C3 использовать конденсаторы типа NP0 (нулевой температурный коэффициент).
Для дополнительной информации по общему процессу разработки стадий фильтрации и управления АЦП, работающих по принципу последовательного приближения (Successive approximation, SAR ADC), обратитесь к документам [3, 4], доступным на сайте компании TI.
В приложении частотного инвертора силовые ключи должны быть защищены от ситуаций перегрузки по току. Чтобы иметь возможность быстро выключить систему, от изолирующего усилителя требуется малое время задержки. На рис. 50 показана типовой ответ AMC1301 на скачкообразное изменение сигнала в пределах полной шкалы (full-scale step response). Имейте в виду, что общая задержка реакции системы будет определяться также временем обработки микроконтроллера.
Рис. 50. Step Response AMC1301.
Высокая линейность и низкий температурный дрейф смещения и низкая ошибка усиления AMC1301, как показано на рис. 51, позволяет разрабатывать драйверы мотора с низкой пульсацией крутящего момента.
Рис. 51. Типовая нелинейность AMC1301.
Изолированное измерение напряжения. Как уже упоминалось, усилитель AMC1301 оптимизирован для использования в приложениях измерения тока с использованием низкоомных шунтов. Однако AMC1301 также можно использовать в приложениях изолированного измерения напряжения, если учитывается эффект влияния входного сопротивления AMC1301 при использовании высокоомного выходного делителя напряжения.
Рис. 52. Использование AMC1301 для изолированного измерения напряжения.
На рис. 52 показана упрощенная схема, обычно используемая в приложениях измерения высокого напряжения. Высокоомные резисторы (R1 и R2) определяют значение тока, который протекает через резистивный делитель напряжения. Сопротивление R3 выбирается с учетом допустимого входного напряжения AMC1301. Этот резистор и входное сопротивление AMC1301 (RIN = 18 кОм) также создают делитель напряжения, который приводит к дополнительной ошибке усиления. Если предположить, что у R1 и R2 сопротивление значительно больше R3, и отсутствует резистор R3 (т. е. VINN подключен напрямую к GND1), то общая ошибка усиления AMC1301 может быть вычислена по формуле (здесь EG это начальная ошибка усиления AMC1301):
R3 |EGtot| = |EG| + ---- RIN
Эта ошибка усиления может быть легко минимизирована с помощью начальной калибровки усиления системы.
Как показано на рис. 52, выход интегрированного дифференциального усилителя внутренне синфазно смещен к напряжению 2V. Это напряжение вызвано током смещения IIB через цепочку резисторов R4 и R5 (или R4' и R5'), используемую для установки коэффициента усиления. Значение этого тока указано в таблице характеристик, параметр IIB (см. врезку "Электрические параметры"). Этот ток смещения генерирует дополнительные ошибки смещения и усиления на выходе, что зависит от сопротивления R3 (если предположить, что R3 наcтолько больше R1 и R2, что сопротивление R1 и R2 можно не учитывать). Из-за того, что значение этого тока смещения зависит от реальной синфазной амплитуды входного сигнала (как показано на рис. 53), начальное системная калибровка смещение устранит это смещение, но не устранит компоненту ошибки усиления. Поэтому в системах с высокими требованиями к точности измерений рекомендуется использовать последовательный резистор на инвертирующем входе (VINN) AMC1301 со значением, равным резистору шунта R3 (т. е. R3' = R3 на рис. 52), чтобы устранить эффект от тока смещения.
Этот дополнительный последовательный резистор (R3') дает ошибку усиления, что вычисляется по следующей формуле при R4 = R4' = 12.5 кОм. Эффект внутренних резисторов R5 = R5' отменяет это вычисление.
EG(%) = (1 - R4/(R4' + R3')) * 100%
На рис. 53 показана зависимость входного тока смещения от синфазного напряжения на входе AMC1301.
Что можно и что нельзя. Не оставляйте входы AMC1301 не подключенными (плавающими), когда на устройство подано питание. Если оба входа устройства "висят", то входной ток смещения переведет выходы в синфазное напряжение приблизительно 2V. Если напряжение питания high-side VDD1 ниже 4V, то внутренний детектор перенапряжения по синфазному напряжению включится, и выходы будут функционировать по функции Fail-Safe Output, что может привести к нежелательной реакции на уровне системы.
[Рекомендации по питанию]
В обычных приложениях силовых инверторов питание входной части high-side (VDD1) довольно легко получить из плавающего питания драйвера верхнего силового ключа. С целью снижения стоимости может использоваться диод Зенера (стабилитрон), чтобы ограничить напряжение до 5V (или 3.3V, в зависимости от требований для разработки) ±10%. Альтернативно можно использовать недорогую микросхему аналогового регулятора с низким падением напряжения (low-dropout, LDO, например LM317-N), что дополнительно улучшит качество питания VDD1. TI рекомендует применять блокировочные конденсаторы по питанию с низким ESR емкостью 0.1 мкФ, чтобы фильтровать помехи по цепям питания. Разместите этот конденсатор (C2 на рис. 54) как можно ближе к VDD1 микросхемы AMC1301 для самой лучшей производительности. Если требуется улучшенная фильтрация, может использоваться дополнительный конденсатор на 10 мкФ. Плавающая земля (GND1) берется от из выводов резистора шунта, подключенного к инвертирующему входу (VINN) AMC1301. Если используется 4-выводный шунт, то входы AMC1301 подключаются ко внутренним (слаботочным) выводам шунта, и GND1 подключается к одному из внешних (силовых) выводов шунта.
Чтобы развязать питание цифровой части системы, используйте конденсатор 0.1 мкФ, установленный максимально близко к выводу VDD2 AMC1301 за которым дополнительно может стоять конденсатор от 1 мкФ до 10 мкФ.
Рис. 54. Источник питания High-Side, реализованный на диодах Зенера.
[Рекомендации по разводке печатной платы]
При разводке PCB критичным является размещение развязывающих конденсаторов по питанию (они должны находиться максимально близко к AMC1301). Рекомендуемый вариант разводки показан на рис. 55. Для самой лучшей производительности поместите резистор шунта максимально близко ко входам VINP и VINN AMC1301, и старайтесь симметрично выполнить разводку этих цепей.
Рис. 55. Рекомендуемая разводка печатной платы для AMC1301.
Легенда рис. 55:
Полигоны меди (Copper Pour) и проводники
Область "High-Side"
Область "Low-Side"
Переходное отверстие (via) на внутренний слой меди GND (Ground Plane)
Переходное отверстие (via) на внутренний слой меди VDD2 (Supply Plane)
[Ссылки]
1. AMC1301, AMC1301S site:ti.com. 2. ISO72x Digital Isolator Magnetic-Field Immunity site:ti.com. 3. 18-Bit, 1MSPS Data Acquisition Block (DAQ) Optimized for Lowest Distortion and Noise site:ti.com. 4. 18-Bit, 1-MSPS Data Acquisition (DAQ) Block Optimized for Lowest Power site:ti.com. 5. ADSxxx3 Dual, 1-MSPS, 16-, 14-, and 12-Bit, 4x2 or 2x2 Channel, Simultaneous Sampling Analog-to-Digital Converter site:ti.com.
