AMC1303x：小身材大作用的高精度隔離式Δ-Σ調(diào)制器

引言

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，高精度、可靠的信號(hào)處理與隔離往往是至關(guān)重要且極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。德州儀器（TI）推出的AMC1303x系列小尺寸、高精度、強(qiáng)化隔離式Δ - Σ調(diào)制器，為我們提供了一種高效的解決方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款調(diào)制器的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

AMC1303x系列包含了如AMC1303E0510、AMC1303M0510等多種型號(hào)。它是一系列精密的隔離式Δ - Σ調(diào)制器，輸出與輸入電路由電容隔離屏障分隔，這種屏障對(duì)磁干擾具有很強(qiáng)的抵抗力，并且根據(jù)DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）和UL1577標(biāo)準(zhǔn)，可提供高達(dá)7000Vpk的強(qiáng)化隔離，支持最高1.5kVrms的工作電壓。

顯著特點(diǎn)

1. 引腳兼容性與多種選項(xiàng)：這是一個(gè)引腳兼容的系列，針對(duì)基于分流電阻的電流測(cè)量進(jìn)行了優(yōu)化，提供±50mV或±250mV的輸入電壓范圍選擇，還有曼徹斯特編碼或未編碼的位流選項(xiàng)以及10MHz和20MHz的時(shí)鐘選項(xiàng)，能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化需求。
2. 出色的直流性能：在直流性能方面表現(xiàn)卓越，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。這些優(yōu)秀的參數(shù)確保了在各種環(huán)境下的測(cè)量精度。
3. 瞬態(tài)抗擾度：具備100kV/μs（典型值）的瞬態(tài)抗擾度，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，有效抵抗瞬間的干擾信號(hào)。
4. 系統(tǒng)級(jí)診斷功能：擁有系統(tǒng)級(jí)診斷特性，方便工程師對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障排查。
5. 安全認(rèn)證：獲得了多項(xiàng)與安全相關(guān)的認(rèn)證，如符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的7000Vpk強(qiáng)化隔離、符合UL1577的1分鐘5000Vrms隔離，以及CAN/CSA no. 5A - 組件驗(yàn)收服務(wù)通知和IEC 62368 - 1終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，滿足了在安全要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中的使用需求。
6. 寬溫度范圍：在擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍（ - 40°C至 + 125°C）內(nèi)進(jìn)行了全面的規(guī)格定義，適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

AMC1303x系列適用于多種需要進(jìn)行分流電阻式電流傳感和隔離電壓測(cè)量的場(chǎng)景，以下是一些典型的應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，精確的電流測(cè)量對(duì)于電機(jī)的控制和保護(hù)至關(guān)重要。AMC1303x的高精度和高抗擾度能夠確保準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)電流，從而實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī)控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。
2. 光伏逆變器：光伏逆變器需要對(duì)輸入和輸出電流進(jìn)行精確測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。AMC1303x的高性能可以滿足光伏逆變器對(duì)電流測(cè)量的嚴(yán)格要求，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體性能。
3. 不間斷和隔離電源：在不間斷和隔離電源中，準(zhǔn)確的電壓和電流測(cè)量是保證電源穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵。AMC1303x的隔離特性和高精度測(cè)量能力，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的精確監(jiān)測(cè)和控制。
4. 功率因數(shù)校正電路：功率因數(shù)校正電路需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流和電壓，以優(yōu)化功率因數(shù)。AMC1303x能夠提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，幫助工程師實(shí)現(xiàn)高效的功率因數(shù)校正。

三、詳細(xì)技術(shù)分析

（一）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，其頻率在開關(guān)特性表中指定。這個(gè)串行位流輸出的時(shí)間平均值與模擬輸入電壓成正比。

（二）關(guān)鍵特性詳解

1. 模擬輸入：AMC1303包含一個(gè)前端電路，其中的差分放大器增益由內(nèi)部精密電阻設(shè)置。對(duì)于輸入電壓范圍為±250mV的設(shè)備（AMC1303x25x），增益因子為4；對(duì)于輸入電壓范圍為±50mV的設(shè)備（AMC1303x05x），增益因子為20。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。不過(guò)，在使用高阻抗信號(hào)源的設(shè)計(jì)中，需要考慮AMC1303的輸入電阻，因?yàn)樗赡軙?huì)導(dǎo)致增益和偏移規(guī)格的下降。同時(shí)，模擬輸入信號(hào)有一定的限制，輸入電壓超出AGND - 6V至AVDD + 0.5V范圍時(shí)，要將輸入電流限制在10mA，并且只有當(dāng)差分模擬輸入電壓保持在指定的線性滿量程范圍（FSR）和輸入共模電壓范圍內(nèi)時(shí)，設(shè)備的線性度和噪聲性能才符合規(guī)格。
2. 調(diào)制器：AMC1303采用的是二階、開關(guān)電容、前饋Δ - Σ調(diào)制器，它將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻。因此，需要在設(shè)備輸出端使用低通數(shù)字濾波器來(lái)提高整體性能，該濾波器還可將高采樣率的1位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為低速率的更高位數(shù)據(jù)字（抽?。I的一些微控制器系列，如TMS320F2807x和TMS320F2837x，提供了適合與AMC1303系列配合使用的可編程、硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，即sigma - delta濾波器模塊（SDFM）；MSP430F677x微控制器上的SD24_B轉(zhuǎn)換器也可直接訪問(wèn)集成的sinc - 濾波器；此外，還可以使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器。
3. 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?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載波對(duì)TX IN處的位流進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)隔離屏障表示數(shù)字0，無(wú)信號(hào)表示數(shù)字1。接收器在進(jìn)行高級(jí)信號(hào)調(diào)理后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并產(chǎn)生輸出。這種隔離通道的對(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。
4. 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%時(shí)間的1和0的流。對(duì)于AMC1303x25x，250mV的差分輸入會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高低電平占比為89.06%的流；對(duì)于AMC1303x05x，50mV的差分輸入會(huì)產(chǎn)生類似的流。當(dāng)輸入電壓超出指定范圍時(shí)，調(diào)制器輸出會(huì)出現(xiàn)非線性行為，量化噪聲增加。當(dāng)輸入小于或等于 - 320mV（AMC1303x05x為 - 64mV）或大于或等于320mV（AMC1303x05x為64mV）時(shí)，調(diào)制器輸出會(huì)被削波，但AMC1303會(huì)每128個(gè)時(shí)鐘周期生成一個(gè)1（輸入為負(fù)滿量程時(shí)）或0，以指示設(shè)備正常工作。
5. 曼徹斯特編碼功能：AMC1303Ex提供符合IEEE 802.3的曼徹斯特編碼功能，它每個(gè)比特至少產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換，支持從位流中恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)，并且曼徹斯特編碼的位流不含直流分量，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。

（三）設(shè)備功能模式

1. 故障安全輸出：當(dāng)高側(cè)電源電壓AVDD缺失時(shí)，ΔΣ調(diào)制器的輸出不確定，可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此，AMC1303實(shí)現(xiàn)了故障安全輸出功能，在AVDD缺失時(shí)，將DOUT和CLKOUT輸出（僅AMC1303Mx）拉至穩(wěn)態(tài)邏輯1。同樣，當(dāng)輸入的共模電壓達(dá)到或超過(guò)指定的共模過(guò)電壓檢測(cè)電平VCMov時(shí)，AMC1303會(huì)在DOUT輸出端產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)態(tài)邏輯1的位流。在這兩種情況下，DOUT輸出在共模輸入電壓超出或AVDD缺失事件發(fā)生后兩個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)邏輯1，而AMC1303Mx的CLKOUT引腳需要另外256個(gè)時(shí)鐘周期保持在邏輯1。
2. 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（|VIN| ≥ |V Clipping|）時(shí)，AMC1303會(huì)根據(jù)所感測(cè)信號(hào)的實(shí)際極性，每128個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生一個(gè)0或1。這樣，在系統(tǒng)層面就可以區(qū)分AVDD缺失和滿量程輸入信號(hào)的情況。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）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。一種簡(jiǎn)單且硬件成本低的濾波器是sinc3型濾波器，它在二階調(diào)制器中以最小的硬件規(guī)模（數(shù)字門數(shù)量）提供最佳的輸出性能。本文檔中的所有特性表征都是使用過(guò)采樣比（OSR）為256、輸出字大小為16位的sinc3濾波器完成的。有效位數(shù)（ENOB）常用于比較ADC和ΔΣ調(diào)制器的性能，可以通過(guò)特定的公式從SINAD計(jì)算得出。在FPGA中實(shí)現(xiàn)sinc3濾波器的示例代碼可以在相關(guān)的應(yīng)用筆記中找到。

（二）典型應(yīng)用案例

1. 變頻器應(yīng)用

隔離式ΔΣ調(diào)制器在變頻器設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，因?yàn)槠渚哂谐錾慕涣骱椭绷餍阅?。在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏逆變器、不間斷電源（UPS）等工業(yè)應(yīng)用中，變頻器是關(guān)鍵部分。以工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，使用分流電阻（RSHUNT）進(jìn)行電流傳感，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以感測(cè)所有三個(gè)或僅兩個(gè)電機(jī)相電流。AMC1303Mx和AMC1303Ex在變頻器應(yīng)用中的簡(jiǎn)化原理圖有所不同，AMC1303Ex的曼徹斯特編碼位流輸出可以最小化電源板和控制板之間的布線工作，并且允許在電源板上本地生成時(shí)鐘，而無(wú)需調(diào)整每個(gè)DOUT連接的傳播延遲時(shí)間以滿足微控制器的建立和保持時(shí)間要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意一些參數(shù)，如高側(cè)電源電壓為3.3V或5V，低側(cè)電源電壓為3.3V或5V，對(duì)于線性響應(yīng)，AMC1303x25x的分流電阻上的電壓降最大為±250mV，AMC1303x05x最大為±50mV。在詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，AMC1303的高側(cè)電源（AVDD）通常從上部柵極驅(qū)動(dòng)器的電源中獲取，浮動(dòng)接地參考（AGND）來(lái)自分流電阻連接到AMC1303負(fù)輸入（AINN）的一端。選擇分流電阻時(shí)，要確保標(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，并且最大允許過(guò)電流引起的電壓降不超過(guò)導(dǎo)致削波輸出的輸入電壓。此外，由于AMC1303的模擬前端輸入帶寬在電氣特性表中已規(guī)定，通常不需要在ΔΣ調(diào)制器前使用典型的RC濾波器來(lái)改善信號(hào)路徑的信噪比。對(duì)于調(diào)制器輸出位流濾波，可以使用TI的TMS320F2807x系列低成本微控制器（MCUs）或TMS320F2837x系列雙核MCUs，它們支持多達(dá)八個(gè)通道的專用硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，為每個(gè)通道提供兩條濾波路徑，一條為控制回路提供高精度結(jié)果，另一條為過(guò)電流檢測(cè)提供快速響應(yīng)路徑。在電機(jī)控制應(yīng)用中，過(guò)電流檢測(cè)需要非常快的響應(yīng)時(shí)間。由于sinc3濾波器在調(diào)制器輸入出現(xiàn)階躍信號(hào)時(shí)需要三次數(shù)據(jù)更新才能完全穩(wěn)定，因此對(duì)于過(guò)電流保護(hù)，具有較低OSR的sinc2濾波器是更好的選擇。

2. 隔離電壓傳感

AMC1303雖然針對(duì)使用低電阻分流器的電流傳感應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，但也適用于隔離電壓傳感應(yīng)用，不過(guò)需要考慮輸入偏置電流的影響。在高壓傳感應(yīng)用中，通常使用高值電阻（R1和R2）作為分壓器，傳感電阻R3的阻值根據(jù)AMC1303的輸入電壓范圍選擇。R3和AMC1303x25x的差分輸入電阻會(huì)形成一個(gè)分壓器，導(dǎo)致額外的增益誤差，可以通過(guò)特定公式估算總增益誤差。在設(shè)計(jì)時(shí)，高側(cè)和低側(cè)電源電壓一般為3.3V或5V，AMC1303x25x的電阻R3上的電壓降最大為 + 250mV（線性響應(yīng)）。集成差分放大器的輸出內(nèi)部偏置到1.9V的共模電壓，會(huì)導(dǎo)致通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)R4和R5（或R4'和R5'）的偏置電流，該電流會(huì)產(chǎn)生額外的偏移誤差，且該誤差取決于輸入信號(hào)的實(shí)際共模幅度，因此初始系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)無(wú)法完全消除其影響。在對(duì)精度要求較高的系統(tǒng)中，可以在AMC1303的負(fù)輸入（AINN）處使用一個(gè)與分流電阻R3值相等的串聯(lián)電阻（R3'）來(lái)消除偏置電流的影響，但這個(gè)額外的串聯(lián)電阻會(huì)影響電路的增益誤差，可以通過(guò)特定公式計(jì)算其影響。

（三）電源供應(yīng)建議

在典型的變頻器應(yīng)用中，AMC1303的高側(cè)電源（AVDD）直接從上部柵極驅(qū)動(dòng)器的浮動(dòng)電源獲取。為了降低系統(tǒng)成本，可以使用齊納二極管將電壓限制在5V或3.3V（±10%），也可以使用低成本、低壓差穩(wěn)壓器（LDO），如LM317 - N，來(lái)調(diào)整電源電壓并減少電源節(jié)點(diǎn)上的噪聲。同時(shí)，使用0.1μF的低ESR去耦電容對(duì)該電源路徑進(jìn)行濾波，并將其盡可能靠近AMC1303的AVDD引腳放置，還可以額外使用一個(gè)2.2μF至10μF的電容。浮動(dòng)接地參考（AGND）來(lái)自分流電阻連接到設(shè)備負(fù)輸入（AINN）的一端，如果使用四引腳分流器，將設(shè)備的輸入連接到分流器的感測(cè)端子，并將接地連接作為單獨(dú)的走線連接到分流器，以減少偏移并提高精度。對(duì)于控制器側(cè)的數(shù)字電源去耦，使用0.1μF和2.2μF的電容，并將其盡可能靠近AMC1303的DVDD引腳放置。

（四）布局設(shè)計(jì)

1. 布局指南：在布局時(shí)，要將去耦電容盡可能靠近AMC1303放置，同時(shí)將分流電阻和抗混疊濾波器組件盡可能靠近AMC1303的AINP和AINN輸入放置，并保持兩個(gè)連接的布局對(duì)稱。此外，要確保隔離區(qū)域有足夠的間隙面積，避免任何導(dǎo)電材料。
2. 布局示例：文檔中給出了具體的布局示例，展示了各個(gè)組件的放置位置和連接方式，為工程師的實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考。

五、總結(jié)

AMC1303x系列高精度隔離式Δ - Σ調(diào)制器憑借其豐富的特性和出色的性能，在工業(yè)控制、電源管理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇型號(hào)、設(shè)計(jì)電路、配置濾波器，并注意電源供應(yīng)和布局等方面的問(wèn)題，以充分發(fā)揮該系列調(diào)制器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度、可靠的信號(hào)處理和隔離。大家在使用AMC1303x的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)一些特別的問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。