設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說(shuō)明

一些應(yīng)用需要使用電路來(lái)測(cè)量小標(biāo)稱電流，同時(shí)承受高短路電流，例如斷路器。本電路設(shè)計(jì)文檔介紹了一種隔離式電流檢測(cè)電路，可以準(zhǔn)確測(cè)量 ±10mA 至 ±10A 的標(biāo)稱負(fù)載電流，同時(shí)可承受高達(dá) ±200A 的短路電流。對(duì)于該電路，假設(shè)輸出與 3.3V 單端 ADC（例如集成到 MSP430 中的 ADC）一起使用。被測(cè)線路電流與 ADC 之間的隔離是使用隔離放大器 (AMC1302) 實(shí)現(xiàn)的。在使用 1mΩ 分流電阻器的情況下，預(yù)期的最小標(biāo)稱電流會(huì)產(chǎn)生 ±10μV 信號(hào)，由于 Δ-Σ 調(diào)制器死區(qū)，該信號(hào)太小而無(wú)法在零電壓輸入附近被準(zhǔn)確解析。為了解決此問題，電路可使用一個(gè) 2 通道運(yùn)算放大器 (TLV9002) 以 5V/V 的增益將信號(hào)放大并將共模電壓設(shè)置為 1V；這不僅能使最小標(biāo)稱電流脫離死區(qū)，而且能使最大標(biāo)稱電流達(dá)到隔離放大器的滿量程線性輸入范圍。隔離放大器的滿量程線性輸入范圍為 ±50mV，差分輸出擺幅為 ±2.05V，輸出共模電壓為 1.44V，內(nèi)部固定增益為 41V/V。在隔離放大器的輸出側(cè)，使用了第二個(gè) 2 通道運(yùn)算放大器 (TLV9002)，其中第一個(gè)通道用于將單端共模電壓設(shè)置為 1.65V，第二個(gè)通道用于將隔離放大器的差分輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為可與 3.3V 單端 ADC 一起使用的單端信號(hào)。

設(shè)計(jì)步驟

1. 根據(jù)最大標(biāo)稱電流確定相應(yīng)的分流電阻器值。
   $R_{SHUNT} = \frac{V_{inMax}}{I_{inMax}} = \frac{50mV}{10A} = 5 m\Omega$
2. 由于該分流電阻器必須能夠承受 200A 的短路電流，因此進(jìn)一步將分流電阻器的電阻降低為原來(lái)的五分之一，這在步驟 6 中得到了補(bǔ)償。確定最大標(biāo)稱電流工作期間的分流電阻器功率耗散。
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMax}}^2 \times R_{SHUNT} = 100 A^2 \times 1 m\Omega = 0.1 W$

   確定最小標(biāo)稱電流工作期間的分流電阻器功率耗散。

   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMin}}^2 \times R_{SHUNT} = 0.1 {mA}^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 0.1 \mu W$
3. 確定短路期間的分流電阻器功率耗散。請(qǐng)務(wù)必驗(yàn)證所選的短期過載規(guī)格（通常為標(biāo)稱值的 5 倍）是否能夠承受短路耗散的功率。
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inShort}}^2 \times R_{SHUNT} = \mathrm{40,000} A^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 40 W$

   選擇功耗降低為原來(lái)的五分之一的分流電阻器。因此，如果短期過載要求為 40W，則分流 P_dissipation = 8W。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱隔離式電流檢測(cè)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 模擬設(shè)計(jì)期刊。

4. TLV9002_IN 的通道 1 用于設(shè)置 TLV9002_IN 通道 2 的單端輸出的 1V 共模電壓。通道 1 的 1V 輸出也被發(fā)送到 AMC1302 的正輸入端。在使用 5V 電源的情況下，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器將 5V 分壓為 1V。在使用 4kΩ 的 R₁ 時(shí)，可以通過以下公式計(jì)算 R₂。
   $R_2 = \frac{V_{CM} \times R_1}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.00 V \times 4000 \mathrm{\Omega }}{5.00 V - 1.00 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
5. TLV9002_IN 的通道 2 用于放大分流電阻器的電壓，以便在測(cè)量最大標(biāo)稱電流范圍時(shí)利用 AMC1302 的滿量程輸入電壓范圍。對(duì)于 1mΩ 的分流電阻器和 ±10A 的最大標(biāo)稱電流，分流電阻器的輸出電壓為 ±10mV。由于 AMC1302 的最大輸入電壓為 ±50mV，必須以 5V/V 的增益放大分流電阻器的輸出。在保持 R3|R4 為 1kΩ 的同時(shí)，可以通過以下公式計(jì)算 R5|R6 的電阻值。
   $Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right)=\frac{R_{\mathrm{5,6}}}{R_{\mathrm{3,4}}} ;{ R}_{\mathrm{5,6}}=Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right) \times R_{\mathrm{3,4}}=5 \raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. \times 1 k\mathrm{\Omega }=5 k\mathrm{\Omega }$
6. 根據(jù)所選的分流電阻器，驗(yàn)證在短路期間是否未違反 AMC1302 輸入的絕對(duì)最大電壓限制。200A 短路電流會(huì)在 AMC1302 上施加 1V 的差分電壓。由于輸入共模被設(shè)置為 1V，因此相對(duì)于 GND1，AMC1302 的負(fù)輸入端上會(huì)施加最大 2V 的電壓。
   $V_{inAMC} = 200 A \times 0.001 \mathrm{\Omega }\mathrm{ }\times \mathrm{ }5\mathrm{ }\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. = 1 V$

   AMC1302 的絕對(duì)最大輸入電壓比高側(cè)電源電壓高 500mV（如 AMC1302 精密、±50mV 輸入、增強(qiáng)型隔離放大器 數(shù)據(jù)表中所述）。在使用 5V 高側(cè)電源電壓時(shí)，不會(huì)違反絕對(duì)最大輸入電壓額定值。

7. TLV9002_OUT 的通道 1 用于設(shè)置 TLV9002_OUT 通道 2 的單端輸出的 1.65V 共模電壓。在使用 3.3V 電源的情況下，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器將 3.3V 分壓為 1.65V。在使用 1kΩ 的 R₇ 時(shí)，可以通過以下公式計(jì)算 R₈。
   $R_8 = \frac{V_{CM} \times R_7}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.65 V \times 1000 \mathrm{\Omega }}{3.3 V - 1.65 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
8. 雖然 TLV9002 是軌至軌運(yùn)算放大器，但 TLV9002 的輸出最多只能相對(duì)于電源軌擺動(dòng) 55mV。因此，TLV9002_OUT 的單端輸出擺動(dòng)范圍為 55mV 至 3.245V (3.19V_pk-pk)。
9. AMC1302 的 V_OUTP 和 V_OUTN 輸出為 2.05V_pk-pk，具有 180 度的相位差，共模電壓為 1.44V。因此，差分輸出為 ±2.05V 或 4.1V_pk-pk。

   為了保持在 TLV9002_OUT 的輸出限制范圍內(nèi)，AMC1302 的輸出需要衰減為原來(lái)的 3.2/4.1。當(dāng) R₉ = R₁₀ 且 R₁₁ = R₁₂ 時(shí)，可以使用差分轉(zhuǎn)單端級(jí)的以下傳遞函數(shù)來(lái)計(jì)算 R₁₁ 和 R₁₂。

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\mathrm{ }\left({\mathrm{V}}_{OUTP}-{\mathrm{V}}_{OUTN}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{9,10}}}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}\mathrm{ }$
10. 通過使用之前計(jì)算的 TLV9002_OUT 輸出擺幅并將 R₉ 和 R₁₀ 設(shè)置為 10kΩ，可以使用以下公式計(jì)算得出 R₁₁ 和 R₁₂ 為 7.8kΩ。
    $3.2=\mathrm{ }\left(2.465\mathrm{V}-415\mathrm{m}\mathrm{V}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{10k\mathrm{\Omega }}\right)+1.65$

    在使用標(biāo)準(zhǔn)的 0.1% 電阻值時(shí)，可以使用 7.8kΩ 電阻器。這提供了 TLV9002 限制范圍內(nèi)的最大輸出擺幅。

11. 電容器 C₁ 和 C₂ 與電阻器 R₁₁ 和 R₁₂ 并聯(lián)放置，可限制高頻信號(hào)。當(dāng) R₁₁ = R₁₂ 且 C₁ = C₂ 時(shí)，可以通過以下公式計(jì)算截止頻率。
    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{1,2}}}$

    當(dāng) C₁ = C₂ = 1nF 且 R₁₁ = R₁₂ = 7800Ω 時(shí)，可以計(jì)算得出截止頻率為 20.414kHz。

    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 7800\mathrm{\Omega }\times 1\mathrm{n}\mathrm{F}}=20.414\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}$

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果

圖 24 仿真結(jié)果展示了分流器電壓的仿真直流特性、AMC1302 的差分輸入/輸出以及 TLV9002 放大器的單端輸出（–10A 至 10A）。

仿真結(jié)果

短路事件仿真 通過演示輸入和輸出如何在 ±200A 下做出反應(yīng)，顯示了短路事件期間的電路仿真。穿過圖形的紅線和藍(lán)線標(biāo)記了 AMC1302 的輸出開始削波的點(diǎn)。從該點(diǎn)開始，電路的目的是在發(fā)生短路事件后繼續(xù)運(yùn)行。在 部分中，選擇了適當(dāng)?shù)?AMC1302 高側(cè)增益和分流電阻值以避免在該事件期間造成損壞。以下仿真驗(yàn)證了這些選擇：在短路事件中進(jìn)入 AMC1302 的最大輸入電壓為 ±1V，低于該器件的絕對(duì)最大額定值。因此，仿真確認(rèn)電路在短路事件過去后繼續(xù)運(yùn)行。

短路事件仿真

正弦波仿真結(jié)果

正弦波仿真 正弦波模擬展示了分流器的輸出、AMC1302 的差分輸入和輸出以及 TLV9002 響應(yīng)正弦波的單端輸出（振幅為 –10A 至 10A）。AMC1302 的差分輸出為 ±2.05V_pk-pk，與預(yù)期相符，單端輸出為 3.19V_pk-pk，擺動(dòng)范圍為 55mV 至 3.245V。

正弦波仿真

設(shè)計(jì)采用的隔離式放大器

設(shè)計(jì)備選隔離式放大器