利用单电源隔离放大器和ADC简化隔离电流和电压感应设计

作者：德州仪器

在保护人员、抗噪以及处理子系统之间的接地电位差等领域中，我们都需要一个“它”。你可以在以下应用中对“它”进行设计，如电机驱动器、太阳能逆变器、DC充电（桩）站、工业机器人、不间断电源、牵引逆变器、车载充电器和 DC/DC转换器。

我说的“它”指的就是电流隔离。

包括我上述提及的系统在内，许多系统需要通过隔离势垒将电流和电压信息从一个电源域传输到另一个电源域，以便进行监视和控制。那么如何在隔离势垒上传输模拟信息呢？答案是使用隔离放大器和隔离模数转换器（ADCs），后者也被称为隔离δ-Σ调制器。

设计这些系统时，面临的一大难题是如何为隔离放大器或ADC供电。通常来说，它们需要两个电源——高侧电源和低侧电源（在图1的左图分别显示为VDD1和VDD2）。低压侧通常由为数字控制器供电的相同电源供电，但许多系统的高侧没有可用的电源。这就意味着必须在高侧设计分立的隔离电源（但这会增加解决方案尺寸、物料清单数量和解决方案成本），从而增加设计和印刷电路板（PCB）布局的复杂性。

为解决这一设计难题，我们开发了一系列可使用低侧电源工作的隔离放大器和ADC。图1所示为需要两个电源（左）的标准隔离转换器和可使用单电源（右）工作的AMC3301系列之间的差异。


图1：传统隔离放大器与单电源隔离放大器

这些新器件包括一个全集成DC/DC转换器级，可在内部产生高侧电源。这种DC/DC转换器的架构经过优化，可从高侧低压差调节器（LDO）输出引脚（通常表示为HLDOOUT）为辅助电路（如有源滤波器、前置放大器或比较器）提供高达1 mA的额外直流电流。

基于分流器的电流感应提供高精度。

单电源操作如何简化设计

单电源工作的优势包括：
•        解决方案尺寸更小、物料清单（BOM）减少、系统成本更低。集成的DC/DC转换器不再需要分立电源（如专用隔离电源）以及专用变压器、变压器驱动器和LDO的组合。这种集成可为空间受限的应用创建紧凑的系统设计，并可减少BOM数量，降低系统成本。
•        有助于简化设计和布局。无需担心是否能够使用高侧电源，可更轻松地设计基于分流器的高精度电流和电压感应。你可以：
o        通过消除对集中式电源的需求，可借助模块化PCB设计实现更高的复用率。
o        实现具有更少走线和更少电源布线的双层电路板设计。
o        在无共用中性线的多相系统中进行相间电压测量时，降低设计复杂性。你可以消除原本需要的分立隔离电源。
•        分流器布置的灵活性。在传统架构中，高侧电源决定了分流器布置，这可能会导致寄生效应。例如，将栅极驱动器电源用作高侧电源时，分流器不能总是置于靠近开关管脚的位置。这种非最佳的布置可能会增加与分流器串联的寄生电感，这会在功率级切换期间在放大器的输入端引起共模干扰，进而导致测量不精确。使用AMC3301系列时，由于采用了集成电源，寄生电感不会影响测量精度。

TI的产品组合

图3总结了TI的隔离放大器和ADC产品组合。左侧所示为需要双电源的传统器件；右侧所示为单电源工作的器件。


图2：TI隔离放大器和调制器（ADC）产品组合。

以下是基于应用的AMC3301系列的所有选件。

电流感应：
•        AMC3301: ±250 mV输入增强型隔离放大器。
•        AMC3301-Q1: 汽车电子理事会（AEC）-Q100认证的±250mV输入增强型隔离放大器。
•        AMC3302: ±50 mV输入增强型隔离放大器。
•        AMC3306M25: ±250mV输入增强型隔离调制器（ADC）。
电压感应：
•        AMC3330: ±1-V输入增强型隔离放大器。
•        AMC3330-Q1: AEC-Q100认证的±1-V输入增强型隔离放大器。

有没有可能在简化设计的同时，实现紧凑的外形尺寸，还不影响性能？答案是可能的。当你准备开始设计时，TI的应用专家将在此回答您在德州仪器在线支持论坛中可能遇到的任何问题。同时，请查看以下其他资源，增强你对隔离放大器和ADC的了解。