AMC1106x：小體積、高精度的基本隔離式ΔΣ調(diào)制器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度的電流傳感和信號(hào)處理至關(guān)重要。今天，我們要深入探討德州儀器（TI）的AMC1106x系列，這是一款小體積、高精度的基本隔離式ΔΣ調(diào)制器，在三相電表等應(yīng)用中具有出色的表現(xiàn)。

文件下載：amc1106e05.pdf

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

輸入特性與編碼選項(xiàng)

• 輸入電壓范圍：±50 - mV的輸入電壓范圍，專門針對(duì)使用分流電阻進(jìn)行電流測(cè)量進(jìn)行了優(yōu)化。這使得它能夠在較小的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的電流傳感，同時(shí)允許使用較小的分流電阻值，從而降低功耗。
• 編碼選項(xiàng)：提供曼徹斯特編碼或未編碼的比特流選項(xiàng)，為不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活性。

高精度的直流性能

• 偏移誤差和漂移：最大偏移誤差為±50 μV，漂移為±1 μV/°C。這確保了在系統(tǒng)級(jí)別的高精度傳感中，能夠提供穩(wěn)定可靠的測(cè)量結(jié)果。
• 增益誤差和漂移：最大增益誤差為±0.2%，漂移為±40 ppm/°C。在不同的溫度環(huán)境下，依然能夠保持較高的增益精度。

低功耗與系統(tǒng)診斷

• 低功耗運(yùn)行：采用3.3 - V電源供電，有效降低了隔離屏障兩側(cè)的功耗，提高了系統(tǒng)的能源效率。
• 系統(tǒng)診斷功能：具備系統(tǒng)級(jí)診斷特性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)告系統(tǒng)中的異常情況，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

電磁兼容性與安全認(rèn)證

• 高電磁抗擾度：具有高電磁抗干擾能力，可參考ISO72x數(shù)字隔離器磁場(chǎng)抗擾度應(yīng)用報(bào)告。
• 安全認(rèn)證：符合多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如5657 - (V{PK})基本隔離（DIN VDE V 0884 - 11: 2017 - 01）和4000 - (V{RMS})隔離1分鐘（UL1577、CAN/CSA No. 5A - 組件驗(yàn)收服務(wù)通知和DIN EN 61010 - 1終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)）。

主要應(yīng)用場(chǎng)景

AMC1106x在基于分流電阻的三相電表電流傳感中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的三相電表中，電流互感器（CT）是常用的電流傳感器，但強(qiáng)磁場(chǎng)可能會(huì)使CT飽和，影響能量測(cè)量的準(zhǔn)確性。而分流電阻對(duì)磁場(chǎng)免疫，結(jié)合AMC1106x的高精度特性，可以設(shè)計(jì)出不受磁場(chǎng)干擾的電表。

詳細(xì)技術(shù)解析

器件概述

AMC1106是一款精密的ΔΣ調(diào)制器，其輸出與輸入電路通過(guò)電容隔離屏障分離，該屏障對(duì)磁干擾具有高度抗性。輸入級(jí)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可直接連接到分流電阻或其他低電壓信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)出色的交流和直流性能。

功能框圖與工作原理

• 功能框圖：包括模擬輸入級(jí)、ΔΣ調(diào)制器、隔離接口等部分。模擬輸入級(jí)是一個(gè)全差分放大器，將輸入信號(hào)饋送到二階ΔΣ調(diào)制器，將模擬信號(hào)數(shù)字化為1 - 位輸出流。
• 工作原理：外部時(shí)鐘信號(hào)在CLKIN引腳提供，輸出的串行比特流的時(shí)間平均值與模擬輸入電壓成正比。

特性詳細(xì)描述

• 模擬輸入：前端電路包含差分放大器和采樣級(jí)，差分放大器的增益由內(nèi)部精密電阻設(shè)置為20倍，輸入電阻為4.9 kΩ。為了降低偏移和偏移漂移，采用斬波穩(wěn)定技術(shù)，開關(guān)頻率為(f_{CLKIN } / 32)。
• 調(diào)制器：二階開關(guān)電容前饋ΔΣ調(diào)制器，將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻，需要在輸出端使用低通數(shù)字濾波器來(lái)提高整體性能。
• 隔離通道信號(hào)傳輸：采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，通過(guò)基于(SiO_{2})的電容隔離屏障傳輸調(diào)制器輸出的比特流，提高了CMTI性能并降低了輻射發(fā)射。
• 數(shù)字輸出：輸入電壓在 - 50 mV至50 mV范圍內(nèi)時(shí)，輸出具有線性特性；超出該范圍，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 - 64 mV時(shí)，輸出為全零；大于或等于64 mV時(shí)，輸出為全一。
• 曼徹斯特編碼特性：AMC1106E05提供符合IEEE 802.3的曼徹斯特編碼功能，生成的比特流至少有一個(gè)轉(zhuǎn)換，支持從比特流中恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)，便于單線路數(shù)據(jù)和時(shí)鐘傳輸。

器件功能模式

• 故障安全輸出：當(dāng)AVDD高側(cè)電源電壓缺失時(shí)，輸出為邏輯0的穩(wěn)態(tài)比特流；當(dāng)輸入共模電壓達(dá)到或超過(guò)共模過(guò)壓檢測(cè)電平(V_{CMov})時(shí)，輸出為邏輯1的穩(wěn)態(tài)比特流。
• 滿量程輸入時(shí)的輸出行為：當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到滿量程時(shí)，器件每128個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)1或0，方便在系統(tǒng)級(jí)區(qū)分滿量程輸入和電源缺失的情況。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

數(shù)字濾波器的使用

調(diào)制器輸出的比特流需要經(jīng)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）的轉(zhuǎn)換結(jié)果。推薦使用sinc3類型的濾波器，它在二階調(diào)制器中能夠以最小的硬件成本提供最佳的輸出性能。

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求

• 電源電壓：AVDD1、AVDD2和AVDD3高側(cè)電源電壓為3.3 V或5 V，DVDD低側(cè)電源電壓為3.3 V或5 V。
• 分流電阻電壓降：線性響應(yīng)時(shí)，分流電阻上的電壓降最大為±50 mV。
• 精度要求：達(dá)到0.5級(jí)或更高精度。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 電源設(shè)計(jì)：AVDD可通過(guò)外部電容降壓或無(wú)芯變壓器電源電路獲取，使用低ESR的0.1 μF去耦電容進(jìn)行濾波。
• 分流電阻選擇：根據(jù)歐姆定律(V{SHUNT }=I ×R{SHUNT })計(jì)算分流電阻上的電壓降，選擇合適的電阻值，確保電壓降不超過(guò)推薦的差分輸入電壓范圍和引起削波輸出的輸入電壓。
• 濾波電路：在AMC1106前端使用RC濾波器，提高系統(tǒng)的信噪比和抗高頻電磁場(chǎng)干擾能力。
• 輸出處理：推薦使用TI的MSP430F67x系列低功耗微控制器進(jìn)行輸出比特流平均處理，該系列提供了sigma - delta模塊（SD24_B），可直接訪問(wèn)數(shù)字濾波器。

電源與布局建議

電源建議

為了降低系統(tǒng)成本，AMC1106的高側(cè)電源（AVDD）可采用外部電容降壓電源。在電源路徑上使用0.1 μF的去耦電容，并將其盡可能靠近AVDD引腳。對(duì)于控制器側(cè)的數(shù)字電源，使用0.1 μF電容靠近DVDD引腳，再加上1 μF至10 μF的額外電容進(jìn)行去耦。

布局指南

• 元件放置：將分流電阻靠近AMC1106的AINP和AINN輸入，并保持連接布局對(duì)稱。去耦電容應(yīng)盡可能靠近AMC1106的電源引腳。
• 隔離區(qū)域：在布局中設(shè)置清晰的隔離區(qū)域，避免導(dǎo)電材料進(jìn)入，以確保隔離性能。

總結(jié)

AMC1106x系列調(diào)制器以其小體積、高精度、低功耗和出色的隔離性能，為三相電表等應(yīng)用中的電流傳感提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇元件、優(yōu)化電源和布局，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨多嘗試和探索，挖掘其更多的潛力。

你在使用AMC1106x或者類似器件的過(guò)程中，遇到過(guò)哪些有趣的問(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。