高精度隔離式Δ - Σ調制器AMC1305x：設計指南與應用解析

在電子工程師的日常設計工作中，高精度的電流和電壓測量是許多應用的核心需求。德州儀器（TI）推出的AMC1305x系列高精度、增強型隔離式Δ - Σ調制器，為我們提供了出色的解決方案。今天，我們就來深入探討一下AMC1305x的特點、應用以及設計要點。

文件下載：amc1305l25.pdf

核心特性：打造高精度測量基礎

1. 引腳兼容與輸入范圍靈活

AMC1305x系列是引腳兼容的產(chǎn)品族，專門為基于分流電阻的電流測量優(yōu)化設計。它提供了±50 - mV或±250 - mV的輸入電壓范圍選擇，能夠滿足不同應用場景下對電流測量精度的要求。同時，還具備CMOS或LVDS數(shù)字接口選項，方便與不同類型的控制器或數(shù)字系統(tǒng)進行連接。

2. 出色的直流性能

在高精度傳感方面，AMC1305x展現(xiàn)出了卓越的直流性能。其最大偏移誤差僅為±50 μV或±150 μV，偏移漂移低至1.3 μV/°C，增益誤差最大為±0.3%，增益漂移最大為±40 ppm/°C。這些優(yōu)異的參數(shù)確保了在系統(tǒng)層面上能夠實現(xiàn)高精度的傳感測量。

3. 安全認證與高抗擾性

在安全方面，AMC1305x獲得了多項重要認證。根據(jù)DIN VDE V 0884 - 11: 2017 - 01標準，它具備7000 - (PK)增強型隔離能力；依據(jù)UL1577、CAN/CSA no. 5A - 組件驗收服務通知和IEC 62368 - 1終端設備標準，能提供1分鐘5000 - (V_{RMS})的隔離。此外，它還具有15 kV/μs的瞬態(tài)抗擾度和高電磁場抗擾性，能有效抵御外界干擾，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4. 時鐘輸入與寬溫范圍

外部5 - MHz至20 - MHz的時鐘輸入，使得系統(tǒng)級同步更加容易實現(xiàn)，提高了整個系統(tǒng)的協(xié)同工作能力。同時，該系列產(chǎn)品在擴展工業(yè)溫度范圍（ - 40°C至 + 125°C）內進行了全面規(guī)范，能夠適應各種惡劣的工作環(huán)境。

應用場景：廣泛覆蓋工業(yè)領域

1. 基于分流電阻的電流傳感

在工業(yè)電機驅動器、光伏逆變器和不間斷電源等應用中，基于分流電阻的電流傳感是關鍵環(huán)節(jié)。AMC1305x憑借其高精度和高抗擾性，能夠準確測量電流，為系統(tǒng)的控制和保護提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2. 隔離式電壓傳感

除了電流傳感，AMC1305x還可以應用于隔離式電壓傳感。不過在進行電壓傳感設計時，需要考慮所用電阻較高阻抗的影響，通過合理的電路設計和校準，可以實現(xiàn)高精度的電壓測量。

詳細剖析：內部結構與工作原理

1. 總體架構

AMC1305的差分模擬輸入（AINP和AINN）連接到一個全差分放大器，該放大器為二階Δ - Σ調制器階段的開關電容輸入級提供信號。調制器將輸入信號數(shù)字化為一個1位輸出流，通過轉換器的隔離數(shù)據(jù)輸出（DOUT）提供與CLKIN引腳處外部提供的時鐘源同步的數(shù)字1和0流，頻率范圍為5 MHz至20.1 MHz。

2. 模擬輸入前端

前端電路包含差分放大器和采樣級，其后緊跟Δ - Σ調制器。對于輸入電壓范圍為±250 mV的器件（AMC1305x25），差分放大器的增益由內部精密電阻設置為4；對于±50 - mV輸入電壓范圍的器件（AMC1305M05），增益設置為20。這使得AMC1305M05的差分輸入阻抗為5 kΩ，AMC1305x25為25 kΩ。在設計高阻抗信號源的電路時，需要考慮輸入阻抗對增益和偏移規(guī)格的影響。

3. Δ - Σ調制器

AMC1305采用的是二階、開關電容、前饋Δ - Σ調制器。它將量化噪聲轉移到高頻段，因此需要在器件輸出端使用低通數(shù)字濾波器來提高整體性能。TI的TMS320F2837x微控制器系列提供了適合與AMC1305配合使用的可編程、硬連線濾波器結構，稱為Σ - Δ濾波器模塊（SDFM）；MSP430F677x微控制器上的SD24_B轉換器也提供了直接訪問集成sinc濾波器的途徑，為多通道隔離電流傳感提供了系統(tǒng)級解決方案。

4. 數(shù)字輸出

差分輸入信號為0 V時，理想情況下輸出的數(shù)字流中1和0的占空比為50%；輸入為250 mV（AMC1305x25）或50 mV（AMC1305M05）時，輸出流中1的占空比為90%；輸入為 - 250 mV（ - 50 mV for AMC1305M05）時，輸出流中1的占空比為10%。當輸入電壓超出指定范圍時，調制器輸出會出現(xiàn)非線性行為，量化噪聲增加。

設計要點：保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行

1. 電源供應

在典型的變頻器應用中，AMC1305的高端電源（AVDD）可以從上部柵極驅動器的浮動電源中獲取。為了降低成本，可以使用齊納二極管將電壓限制在5 V ± 10%；也可以使用低成本的低壓差穩(wěn)壓器（LDO），如LM317 - N，以最小化電源噪聲。同時，在AVDD引腳附近放置一個0.1 μF的低ESR去耦電容器，以提高濾波效果。對于控制器側的數(shù)字電源，建議在靠近DVDD引腳處使用0.1 μF的電容器，隨后再添加一個1 μF至10 μF的電容器進行去耦。

2. 布局設計

布局設計對于AMC1305的性能至關重要。去耦電容器應盡可能靠近AMC1305放置，以確保良好的濾波效果。對于AMC1305L25版本，應將100 - Ω終端電阻盡可能靠近CLKIN、CLKIN_N輸入放置，以實現(xiàn)最高的信號完整性。如果未集成終端電阻，還需要在MCU或濾波器設備的LVDS數(shù)據(jù)輸入附近添加一個額外的終端電阻。

3. 數(shù)字濾波器應用

在處理AMC1305的輸出位流時，需要使用數(shù)字濾波器。建議使用sinc3類型的濾波器，它在二階調制器中能夠以最小的硬件規(guī)模提供最佳的輸出性能。所有的特性表征都是在過采樣比（OSR）為256、輸出字寬為16位的sinc3濾波器下進行的。在FPGA中實現(xiàn)sinc3濾波器的示例代碼可以參考TI的應用筆記“Combining ADS1202 with FPGA Digital Filter for Current Measurement in Motor Control Applications (SBAA094)”。

總結與展望

AMC1305x系列高精度、增強型隔離式Δ - Σ調制器憑借其出色的性能、豐富的特性和廣泛的應用場景，為電子工程師在電流和電壓測量領域提供了強大的工具。在實際設計中，我們需要充分考慮其特性和設計要點，合理選擇應用場景和配置參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性。隨著工業(yè)自動化和新能源領域的不斷發(fā)展，相信AMC1305x將在更多的應用中發(fā)揮重要作用。

各位工程師朋友們，你們在使用AMC1305x的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你們的經(jīng)驗和心得。