德州儀器AMC131M03-Q1：汽車應(yīng)用中的高性能ADC解決方案

在汽車電子領(lǐng)域，對于高精度、高可靠性的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的需求日益增長。德州儀器（TI）的AMC131M03-Q1就是一款專門為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的3通道、64-kSPS、同時(shí)采樣、24位、帶集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的增強(qiáng)型隔離Δ - Σ ADC。今天，我們就來深入探討一下這款A(yù)DC的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、核心特性亮點(diǎn)多

1. 汽車級認(rèn)證

AMC131M03-Q1通過了AEC - Q100認(rèn)證，溫度等級為1級（ - 40°C至 + 125°C），這意味著它能夠在汽車復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定工作，為汽車電子系統(tǒng)的可靠性提供了堅(jiān)實(shí)保障。

2. 多通道同時(shí)采樣

三個(gè)隔離的同時(shí)采樣ΔΣ ADC，能夠同時(shí)對多個(gè)模擬信號進(jìn)行采樣，這在需要同步測量多個(gè)參數(shù)的汽車應(yīng)用中非常實(shí)用，比如電池管理系統(tǒng)（BMS）中對多個(gè)電池單體電壓的同時(shí)監(jiān)測。

3. 單電源供電與集成DC/DC

支持單電源（3.3 V或5 V）供電，并且集成了DC/DC轉(zhuǎn)換器，簡化了電源設(shè)計(jì)，減少了外部元件數(shù)量，降低了成本和PCB面積。

4. 低EMI性能

滿足CISPR - 11和CISPR - 25標(biāo)準(zhǔn)，這對于汽車電子系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因?yàn)槠噧?nèi)部存在大量的電子設(shè)備，低EMI可以減少對其他設(shè)備的干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性。

5. 可編程配置

可編程數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)64 kSPS，可編程增益最高可達(dá)128，用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和精度。

6. 安全認(rèn)證

具有多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如7070 - (PEAK)增強(qiáng)型隔離（DIN EN IEC 60747 - 17）和5000 - (V_{RMS})隔離1分鐘（UL1577），為系統(tǒng)提供了可靠的電氣隔離，保護(hù)低電壓部分免受高電壓的損害。

二、應(yīng)用場景廣泛

1. 汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）

在BMS中，AMC131M03-Q1可以用于監(jiān)測電池單體的電壓、溫度和電流，通過同時(shí)采樣多個(gè)電池單體的電壓，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池的過充、過放等異常情況，保障電池的安全和性能。

2. HEV/EV車載充電器（OBC）

在OBC中，它可以對充電過程中的電壓和電流進(jìn)行精確測量，實(shí)現(xiàn)高效、安全的充電控制。

3. HEV/EV DC/DC轉(zhuǎn)換器

用于監(jiān)測DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電壓、電流，確保轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。

4. EV充電站

對充電站的輸出電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測，保障充電過程的安全和穩(wěn)定。

三、詳細(xì)技術(shù)剖析

1. 功能框圖與工作原理

從功能框圖來看，AMC131M03-Q1主要由低側(cè)電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、時(shí)鐘生成、1.2 - V參考、ADC通道、數(shù)字濾波器、控制與串行接口等部分組成。

低側(cè)電源為整個(gè)芯片供電，DC/DC轉(zhuǎn)換器將低側(cè)電源轉(zhuǎn)換為高側(cè)電源，為高側(cè)電路提供穩(wěn)定的電壓。溫度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測芯片的溫度，為系統(tǒng)的熱管理提供依據(jù)。時(shí)鐘生成部分為芯片提供時(shí)鐘信號，控制芯片的工作節(jié)奏。

ADC通道采用ΔΣ調(diào)制技術(shù)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字濾波器對調(diào)制后的信號進(jìn)行處理，去除噪聲和干擾，提高信號的質(zhì)量?？刂婆c串行接口則用于與外部控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對芯片的配置和數(shù)據(jù)讀取。

2. 關(guān)鍵特性解析

隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器

集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器包括初級側(cè)的LDO、初級全橋逆變器和驅(qū)動(dòng)器、層壓式空心變壓器、次級全橋整流器和次級LDO。它采用了擴(kuò)頻時(shí)鐘生成技術(shù)，降低了電磁輻射的頻譜密度，并且諧振頻率與ΔΣ調(diào)制器同步，減少了對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_，提高了模擬性能。

當(dāng)DC/DC轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障時(shí)，STATUS寄存器中的SEC_FAIL位會置為高電平，并且該位是鎖存位，只有讀取STATUS寄存器才能清除。在設(shè)備上電時(shí)，需要連續(xù)讀取兩次STATUS寄存器來驗(yàn)證DC/DC轉(zhuǎn)換器的正常工作。

高側(cè)電流驅(qū)動(dòng)能力

DC/DC轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，能夠?yàn)楦邆?cè)電路提供額外的DC電流，最高可達(dá)(I_{H})?？梢允褂肏LDO_OUT引腳為外部電路（如有源濾波器、前置放大器或比較器）供電，但由于該引腳存在輸出阻抗，其電壓會受到驅(qū)動(dòng)電流大小和所選電源模式的影響。因此，外部電路的組件需要能夠在低電源電壓（如2.7 V）下工作。

隔離通道信號傳輸

采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，將調(diào)制器輸出的位流通過基于(SiO_{2})的電容隔離屏障進(jìn)行傳輸。傳輸后，使用sinc濾波器對調(diào)制器輸出的位流進(jìn)行抽取，重構(gòu)ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)綌?shù)字控制部分，以便通過SPI接口訪問。這種對稱設(shè)計(jì)提高了共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）性能，減少了高頻載波產(chǎn)生的輻射發(fā)射。

輸入ESD保護(hù)電路

基本的靜電放電（ESD）電路結(jié)合外部電路和組件，保護(hù)AMC131M03-Q1的輸入免受ESD和過電壓事件的影響。當(dāng)輸入電壓超過VHLDO_OUT時(shí)，保護(hù)電路可以建模為一個(gè)簡單的二極管。同時(shí)，芯片集成了負(fù)電荷泵，允許單電源供電時(shí)輸入電壓低于HGND，因此不能使用輸入和HGND之間的并聯(lián)二極管來鉗位過大的負(fù)輸入電壓，而是由同一個(gè)二極管來鉗位過電壓和欠電壓。

輸入多路復(fù)用器

每個(gè)通道都有一個(gè)專用的輸入多路復(fù)用器，可以通過CHn_CFG寄存器中的MUXn[1:0]位進(jìn)行配置。它允許將模擬輸入引腳、HGND（用于偏移校準(zhǔn)）、正DC測試信號和負(fù)DC測試信號連接到ADC通道，方便進(jìn)行測試和校準(zhǔn)。

可編程增益放大器（PGA）

每個(gè)通道都集成了可編程增益放大器，提供1、2、4、8、16、32、64和128的增益設(shè)置。通過GAIN寄存器中的PGAGAINx[2:0]位可以獨(dú)立控制每個(gè)通道的增益。改變PGA增益會縮放ADC的差分滿量程輸入電壓范圍（FSR），計(jì)算公式為(FSR = pm 1.2 V / Gain)。

電壓參考

采用內(nèi)部生成的低漂移帶隙電壓作為ADC的參考電壓，標(biāo)稱電壓為1.2 V，允許差分輸入電壓在 - 1.2 V至1.2 V之間擺動(dòng)。參考電路啟動(dòng)速度快，能夠滿足芯片的快速啟動(dòng)特性，在生成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)之前，芯片會等待參考電路完全穩(wěn)定。

內(nèi)部測試信號

芯片具有內(nèi)部模擬測試信號，可用于故障排除和診斷。通過輸入多路復(fù)用器，可以將正或負(fù)DC測試信號應(yīng)用到通道輸入。測試信號由內(nèi)部對參考電壓進(jìn)行分壓產(chǎn)生，所有通道共享相同的信號。測試信號的標(biāo)稱值為(2 / 15 ×V_{REF})，并且會根據(jù)增益設(shè)置自動(dòng)調(diào)整電壓水平。

時(shí)鐘和電源模式

在正常運(yùn)行時(shí)，CLKIN引腳需要持續(xù)提供LVCMOS時(shí)鐘。通過CLOCK寄存器中的PWR[1:0]位可以配置芯片的電源模式，有高分辨率（HR）和低功率（LP）兩種模式可供選擇。改變PWR[1:0]位會縮放內(nèi)部偏置電流，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功率水平。

主時(shí)鐘由CLKIN引腳外部提供，通過可編程時(shí)鐘分頻器將主時(shí)鐘分頻得到內(nèi)部調(diào)制器時(shí)鐘（MODCLK）。默認(rèn)情況下，CLKIN引腳提供的主時(shí)鐘除以(N{DIV }=2)，生成50%占空比的內(nèi)部調(diào)制器時(shí)鐘。通過CLOCK寄存器中的CLKDIV[1:0]位可以將分頻比(N{DIV })改為4、8和12。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部時(shí)鐘頻率必須與調(diào)制器時(shí)鐘同步，以減少干擾。在設(shè)備上電后，需要將調(diào)制器時(shí)鐘的實(shí)際頻率值寫入DCDC_CTRL寄存器中的DCDC_FREQ[3:0]位。

ΔΣ調(diào)制器

采用ΔΣ調(diào)制器將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為密度調(diào)制的數(shù)字位流。調(diào)制器以遠(yuǎn)高于輸出數(shù)據(jù)速率的頻率對輸入電壓進(jìn)行過采樣，調(diào)制器頻率(f_{MOD})由主時(shí)鐘頻率通過可編程時(shí)鐘分頻器得到。調(diào)制器的輸出通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）反饋到調(diào)制器輸入，進(jìn)行誤差校正，將調(diào)制器的量化噪聲在頻域中整形，使噪聲在高頻處更密集，在感興趣的頻段內(nèi)更稀疏。

數(shù)字濾波器

ΔΣ調(diào)制器的位流輸入到數(shù)字濾波器中。數(shù)字濾波器是一個(gè)線性相位、有限脈沖響應(yīng)（FIR）、低通、sinc型濾波器，用于衰減調(diào)制器的帶外量化噪聲。濾波器通過平均對調(diào)制器的輸出進(jìn)行解調(diào)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取和下采樣，將調(diào)制器輸出的速率（(f{MOD})）降低到輸出數(shù)據(jù)速率（(f{DATA })）。抽取因子定義為過采樣比（OSR），計(jì)算公式為(OSR =f{MOD} / f{DATA })。

OSR可以通過CLOCK寄存器中的OSR[2:0]位進(jìn)行配置，取值范圍為128至16384（二進(jìn)制步長），還可以通過設(shè)置TURBO位將OSR配置為64。OSR決定了數(shù)字濾波器對調(diào)制器輸出的平均程度，從而也決定了濾波器的帶寬，帶寬越低，噪聲越低。

通道相位校準(zhǔn)

可以通過通道相位校準(zhǔn)對通道之間的采樣相位進(jìn)行微調(diào)，這在不同通道測量不同類型傳感器的輸出時(shí)非常有用，因?yàn)椴煌瑐鞲衅鞯南辔豁憫?yīng)可能不同。通過CHn_CFG寄存器中的PHASEn[9:0]位可以配置不同通道的相位設(shè)置，該寄存器值是一個(gè)10位的二進(jìn)制補(bǔ)碼值，表示與參考相位（零度）相比的調(diào)制器時(shí)鐘周期數(shù)的相位偏移。

校準(zhǔn)寄存器

校準(zhǔn)寄存器允許根據(jù)預(yù)編程的值自動(dòng)計(jì)算校準(zhǔn)后的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果。偏移校準(zhǔn)寄存器用于校正系統(tǒng)的偏移誤差，增益校準(zhǔn)寄存器用于校正系統(tǒng)的增益誤差。測量得到的校準(zhǔn)系數(shù)需要存儲在外部非易失性存儲器中，并在每次芯片上電時(shí)編程到相應(yīng)的寄存器中。

寄存器映射CRC

通過設(shè)置MODE寄存器中的REG_CRC_EN位，可以啟用寄存器映射CRC功能。啟用后，芯片會不斷計(jì)算可寫寄存器空間中每個(gè)位的寄存器映射CRC。計(jì)算得到的CRC是一個(gè)16位的值，存儲在REGMAP_CRC寄存器中。如果寄存器映射CRC發(fā)生變化，STATUS寄存器中的REG_MAP位會置為高電平，讀取STATUS寄存器可以清除該位。

溫度傳感器

集成了溫度傳感器，與電壓通道的AIN2P輸入復(fù)用。通過CH2_CFG寄存器中的TS_EN位可以選擇溫度傳感器模式。有內(nèi)部和外部溫度傳感器兩種測量模式，通過CH2_CFG寄存器中的TS_SEL位進(jìn)行配置。

3. 設(shè)備功能模式

上電和復(fù)位

AMC131M03-Q1可以通過上電復(fù)位（POR）、SYNC/RESET引腳或RESET命令進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位后，配置寄存器會恢復(fù)到默認(rèn)值，DC/DC轉(zhuǎn)換器會被禁用，需要在復(fù)位后重新啟用DC/DC轉(zhuǎn)換器，設(shè)備才能開始生成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

啟動(dòng)行為

上電后，由于集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器初始是禁用的，所以芯片不會自動(dòng)生成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。為了使ADC正常工作，需要在電源上電后啟用DC/DC轉(zhuǎn)換器，并建立穩(wěn)定的HLDO_OUT引腳電壓，作為次級（高）側(cè)電路的電源。

推薦的上電步驟如下：

1. 給DVDD電源上電，DRDY引腳從低電平變?yōu)楦唠娖奖硎境跫墏?cè)電源電壓正常，SPI接口可以進(jìn)行通信。
2. 根據(jù)需要配置CLOCK寄存器中的CLK_DIV[1:0]位，設(shè)置時(shí)鐘分頻器。
3. 配置DCDC_CTRL寄存器中的DCDC_FREQ[3:0]位，設(shè)置調(diào)制器時(shí)鐘頻率。
4. 將DCDC_CTRL寄存器中的DCDC_EN位設(shè)置為1b，啟用DC/DC轉(zhuǎn)換器。
5. 在向CLKIN引腳施加外部時(shí)鐘之前，配置AMC131M03-Q1的所有其他寄存器。
6. 在CLKIN輸入提供主時(shí)鐘，啟動(dòng)集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行，確保HLDO_OUT引腳的次級電源生成。
7. 讀取STATUS寄存器中的SEC_FAIL位，當(dāng)該位從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，表示HLDO_OUT引腳的次級電源已建立，ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出有效。

同步

可以通過主機(jī)對ADC轉(zhuǎn)換進(jìn)行同步，確保其與外部事件同步。SYNC/RESET引腳是一個(gè)多功能數(shù)字輸入引腳，通過在該引腳提供一個(gè)持續(xù)時(shí)間小于(t_{w(R S L)})但大于CLKIN周期的負(fù)脈沖，可以觸發(fā)同步。如果SYNC/RESET脈沖的負(fù)沿與內(nèi)部數(shù)據(jù)速率時(shí)鐘對齊，則設(shè)備認(rèn)為已同步，否則會重置數(shù)字濾波器，使其與SYNC/RESET脈沖同步。

轉(zhuǎn)換模式

有連續(xù)轉(zhuǎn)換和全局?jǐn)夭▋煞NADC轉(zhuǎn)換模式。連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，ADC以(f_{MOD } /) OSR的速率不斷生成數(shù)據(jù)，新數(shù)據(jù)通過DRDY引腳的下降沿指示。該模式適用于測量交流信號，因?yàn)樗妮敵鰯?shù)據(jù)速率比全局?jǐn)夭Ｊ礁摺?/p>

全局?jǐn)夭Ｊ接糜诮档托酒瑑?nèi)部電路失配導(dǎo)致的偏移誤差和偏移漂移。啟用全局?jǐn)夭Ｊ胶?，芯片會使用兩次連續(xù)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)果（輸入極性相反）來消除設(shè)備的偏移電壓。每次交換輸入極性時(shí)，數(shù)字濾波器會被重置，ADC需要進(jìn)行三次內(nèi)部轉(zhuǎn)換才能產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的全局?jǐn)夭ㄞD(zhuǎn)換結(jié)果。

電源模式

在連續(xù)轉(zhuǎn)換和全局?jǐn)夭Ｊ较拢加懈叻直媛剩℉R）和低功率（LP）兩種可選的電源模式。通過CLOCK寄存器中的PWR[1:0]位可以選擇電源模式，改變該位會縮放內(nèi)部偏置電流，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功率水平。

待機(jī)模式

待機(jī)模式是一種低功耗狀態(tài)，所有通道被禁用，參考和其他非必要電路被斷電，但芯片會保留寄存器設(shè)置。在進(jìn)入待機(jī)模式之前，需要將DCDC_CTRL寄存器中的DCDC_EN位設(shè)置為0b，禁用DC/DC轉(zhuǎn)換器。通過發(fā)送STANDBY命令（0022h）可以進(jìn)入待機(jī)模式，發(fā)送WAKEUP命令（0033h）可以退出待機(jī)模式。

4. 編程要點(diǎn)

串行接口

采用SPI兼容接口來配置芯片和檢索轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，芯片始終作為SPI從設(shè)備。接口工作在SPI模式1（(CPOL = 0)，(CPHA = 1)），SCLK空閑時(shí)為低電平，數(shù)據(jù)在SCLK上升沿發(fā)送或改變，在SCLK下降沿被控制器和從設(shè)備鎖存或讀取。接口是全雙工的，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

芯片根據(jù)CLOCK寄存器中的OSR位設(shè)置的數(shù)據(jù)速率為每個(gè)通道提供轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，數(shù)據(jù)可用時(shí)間相對于DRDY引腳的斷言由通道相位校準(zhǔn)設(shè)置和MODE寄存器中的DRDY_SEL[1:0]位決定。在全局?jǐn)夭Ｊ较?，所有?shù)據(jù)在DRDY引腳斷言后立即可用。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為24位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，使用公式(1 L S B=(2.4 V / Gain ) / 2^{24}=+FSR / 2^{23})可以計(jì)算一個(gè)代碼（LSB）的大小。

命令

芯片支持多種命令，如NULL、RESET、STANDBY、WAKEUP、LOCK、UNLOCK、RREG和WREG。每個(gè)命令都有特定的功能和響應(yīng)，例如，NULL命令用于讀取ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，響應(yīng)為STATUS寄存器的內(nèi)容；RESET命令用于將ADC重置為寄存器默認(rèn)值，命令在幀結(jié)束時(shí)被鎖存，重置后主機(jī)需要等待tREGACQ才能與設(shè)備通信。

ADC輸出緩沖器和FIFO緩沖器

每個(gè)ADC通道都有兩個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖器：ADC輸出緩沖器和FIFO緩沖器。當(dāng)ADC通道生成新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，ADC輸出緩沖器會立即更新，但FIFO緩沖器的更新取決于主機(jī)對先前轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的檢索情況。如果主機(jī)沒有及時(shí)讀取FIFO緩沖器中的數(shù)據(jù)，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)建議

1. 未使用的輸入和輸出處理

對于未使用的模擬輸入，可以將其浮空或連接到HGND。未使用的數(shù)字輸入不能浮空，應(yīng)將其連接到適當(dāng)?shù)碾娖剑―VDD或DGND），以避免產(chǎn)生過大的電源泄漏電流。如果DRDY引腳未使用，可以不連接。

2. 抗混疊處理

在每個(gè)通道輸入前端需要一個(gè)模擬低通濾波器，以防止帶外噪聲和干擾耦合到感興趣的頻段。由于AMC131M03-Q1是一個(gè)ΔΣ ADC，集成的數(shù)字濾波器可以對帶外頻率提供顯著的衰減，因此在大多數(shù)應(yīng)用中，一個(gè)單階RC濾波器就可以提供足夠的抗混疊保護(hù)。

3. 最小接口連接

在使用數(shù)據(jù)隔離以減少所需隔離通道數(shù)量或微控制器（MCU）引腳有限的情況下，可以采用最小接口連接配置。CLKIN引腳需要一個(gè)LVCMOS時(shí)鐘，可以由MCU生成或使用本地LVCMOS輸出設(shè)備創(chuàng)建。如果SYNC/RESET引腳未使用，可以在硬件上將其連接到DVDD；如果DRDY引腳未使用，可以浮空。將SYNC/RESET或DRDY連接到MCU，以確保MCU與ADC轉(zhuǎn)換同步。如果MCU提供CLKIN，可以通過計(jì)數(shù)CLKIN周期來確定采樣周期。如果CS引腳永久接地，需要