如何快速構(gòu)建隔離式高電壓、高電流測(cè)量模塊

在工業(yè)和通信環(huán)境中測(cè)試和評(píng)估電源系統(tǒng)通常需要進(jìn)行多重電壓和電流測(cè)量。各個(gè)電源可能以不同的接地作為基準(zhǔn)，可能具有正極或負(fù)極，或者可能是浮動(dòng)的，與其他電源域沒(méi)有明確的關(guān)系。通常這些場(chǎng)景下，需要使用單獨(dú)的浮動(dòng)萬(wàn)用表，或者通道彼此隔離的多通道表，但這些計(jì)量表通常體積笨重，價(jià)格昂貴。

對(duì)此，ADI設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)單易用的隔離電流和電壓測(cè)量系統(tǒng)電路（如圖1），可用于工業(yè)、電信、儀器儀表和自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備（ATE）應(yīng)用。系統(tǒng)具有電氣隔離特性，主控制器和測(cè)量接地之間最高可容許+/-250V。該隔離設(shè)計(jì)包含數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和電源域信號(hào)；無(wú)需從被測(cè)量的電路提供額外的電源。

圖1.CN0548功能框圖

電流輸入范圍為+/-10A，可選電壓輸入范圍為16V至80V，可以選擇這些值之間的多個(gè)范圍。電壓和電流輸入采用16位分辨率、可調(diào)的輸出數(shù)據(jù)速率和信號(hào)帶寬，包括抑制50Hz和60Hz線路噪聲的模式。

該電路兼容Arduino尺寸平臺(tái)板，支持1.8V至5V邏輯電壓。與開(kāi)源固件示例配對(duì)時(shí)，應(yīng)用軟件能夠使用libiio庫(kù)，通過(guò)Linux工業(yè)輸入/輸出(IIO)框架輕松與參考設(shè)計(jì)通信，該庫(kù)包括C、C#、MATLAB、Python和LabVIEW的綁定。

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

?      電路評(píng)估板

?      CN-0548電路評(píng)估板(EVAL-CN0548-ARDZ)

?      ADuCM3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸開(kāi)發(fā)板(EVAL-ADICUP3029)

?      設(shè)計(jì)和集成文件

?      原理圖、布局文件、物料清單、機(jī)械圖、軟件

電路描述

電壓和電流測(cè)量連接

可將CN0548配置為支持多種測(cè)量情況。電流檢測(cè)輸入可以將正極或負(fù)極電壓輸入端子，或兩者之間的任何電壓作為基準(zhǔn)電壓源，且測(cè)量接地與開(kāi)發(fā)平臺(tái)和所連接主機(jī)的接地隔離。

圖2顯示用于測(cè)量一個(gè)具有15V接地電源和接地負(fù)載的電路的連接。在負(fù)載的高端測(cè)量負(fù)載電流。

圖2.+15V高端電流和電壓測(cè)量

圖3顯示用于測(cè)量負(fù)載低端（接地回路）的負(fù)載電流的連接。

圖3.+15V低端電流和電壓測(cè)量

圖4顯示用于測(cè)量-48V電源的連接，在負(fù)載的接地回路上測(cè)量電流。

圖4.-48V電壓和電流測(cè)量

圖5顯示高端電流測(cè)量連接，電源電壓高達(dá)250V。電壓測(cè)量通道的輸入端可以容許高達(dá)+/-250V的電壓，而不造成損壞，輸出將達(dá)到飽和，不會(huì)產(chǎn)生有效的測(cè)量。

圖5.+250V系統(tǒng)電流測(cè)量

電壓輸入

LT1997-2精密高壓漏斗放大器內(nèi)置匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)，將輸入電壓調(diào)節(jié)到ADC的輸入電壓范圍內(nèi)。該器件的增益誤差為0.006%，增益漂移為1ppm/°C。可以通過(guò)對(duì)+INA、+INB、+INC、-INA、-INB和-INC輸入進(jìn)行引腳短接來(lái)選擇38個(gè)獨(dú)有的衰減因數(shù)，通過(guò)CN0548上的跳線實(shí)現(xiàn)。表1列出了5種跳線設(shè)置，涵蓋大部分應(yīng)用和電路的允許輸入電壓。請(qǐng)參考LT1997-2數(shù)據(jù)手冊(cè)查看衰減因數(shù)的綜合列表。注意，應(yīng)在將CN0548連接至帶電電路之前配置增益設(shè)置跳線，在連接至帶電電路時(shí)，不得移動(dòng)跳線。

圖6.電壓范圍和極性電路

通過(guò)如表2所示配置LT1997-2 REF引腳和AD7798 AIN3引腳電壓，可以將CN0548電壓輸入設(shè)置為單極或雙極輸入范圍。 

AD8418A是一款雙向高壓零漂移電流檢測(cè)放大器。其固定增益為20V/V，具有10kHz帶寬，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的最大增益誤差為±0.15%。放大器的輸出電壓直接連接至ADC的通道1、AIN1-和AIN1+。AD8418A提供出色的輸入共模抑制，范圍為-2V至+70V。如表3所示，AD8418A通過(guò)ISENSE輸入端子之間的10mΩ、2W電流檢測(cè)電阻執(zhí)行雙向電流測(cè)量。在雙極性模式下，最大輸入電流為+/-10A。單極輸入范圍為0A至高達(dá)14A，受到檢測(cè)電阻的功耗限制。AD8418A輸出要求與GND之間具有32mV裕量；請(qǐng)參閱單極和雙極電流測(cè)量測(cè)試結(jié)果。

圖7.電流輸入信號(hào)調(diào)理和極性電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換

AD7798是一款16位低功耗高精度∑-?模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，用于測(cè)量寬動(dòng)態(tài)范圍、低頻率信號(hào)，例如壓力傳感器、稱重和精密測(cè)量應(yīng)用中的信號(hào)。AD7798具有三個(gè)緩沖差分輸入，帶有可編程儀表放大器和片內(nèi)數(shù)字濾波。100mV至5.25V外部基準(zhǔn)電壓決定滿量程輸入范圍。AD7798的輸出數(shù)據(jù)速率可由用戶編程，范圍為4.17至470sps；測(cè)量帶寬以及噪聲靈敏性與輸出數(shù)據(jù)速率成正比。大多數(shù)電源測(cè)量應(yīng)用不需要高采樣率，可以利用較低輸出數(shù)據(jù)速率模式提供的窄帶寬。此外，16.7sps和更低的采樣率可以提供對(duì)50Hz和60Hz線路噪聲的同步抑制。AD7798根據(jù)輸出數(shù)據(jù)速率使用稍微不同的濾波器類型，以盡可能降低內(nèi)部噪聲源造成的影響。圖8顯示16.7Hz模式下的濾波器響應(yīng)。請(qǐng)參閱AD7798數(shù)據(jù)手冊(cè)，查看關(guān)于所有濾波器模式的完整詳細(xì)說(shuō)明。

圖8.AD7798濾波器響應(yīng)，16.7Hz更新速率模式

AD7798的模擬輸入是全差分輸入，輸入范圍為。當(dāng)輸入電壓處于無(wú)緩沖模式且儀表放大器閑置時(shí)，絕對(duì)電壓可以擴(kuò)展到任一供電軌，這是CN0548默認(rèn)使用的配置。

CN0548向AD7798提供高電平緩沖信號(hào)，因此可以將增益設(shè)置為1并禁用緩沖器，以盡可能擴(kuò)大輸入范圍。4.096V基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生的輸入范圍為+/-4.096V，甚至在ADC輸入等于或稍低于接地值時(shí)，讀數(shù)也是有效的。

基準(zhǔn)電壓

CN0548板上使用兩個(gè)基準(zhǔn)電壓。A級(jí)LT6657（如圖9所示）為AD7798提供4.096V基準(zhǔn)電壓。此器件為帶隙基準(zhǔn)電壓源提供非常低的噪聲；在0.1Hz至10Hz帶寬內(nèi)，僅提供0.5ppmP-P，或者平均值為1.24μVp-p。它采用大型輸出電容保持穩(wěn)定，該電容用于降低高頻噪聲，并為AD7798的動(dòng)態(tài)采樣電流提供低阻抗。LT6657對(duì)4.096V輸出基準(zhǔn)電壓源的電壓調(diào)整率通常低于1ppm/V。負(fù)載調(diào)整率也低于2μV/mA。負(fù)載電流中5mA的變化僅使輸出電壓偏移10μV。

圖9.4.096V ADC基準(zhǔn)電壓源

LT6656為V_SENSE放大器、I_SENSE放大器和ADC負(fù)輸入提供2.048V偏置電壓，使輸入端口能夠支持雙極范圍。

噪聲性能

LT1997-2的最高輸出噪聲電壓按4衰減，約為1μVp-p。LT6657提供約2μVp-p輸出噪聲?？傊担ê偷钠椒礁?/span>1μVp-p和2.0μVp-p，或1.7μVp-p。AD7798的量化噪聲為62.5μV，因此將是電壓測(cè)量中的主要噪聲源。在80V輸入范圍內(nèi)，折合為輸入的噪聲約為1.2mV。

在電流測(cè)量模式下，AD8418A的輸入噪聲電壓為2.3μVp-p，范圍為0.1Hz至10Hz。增益為20時(shí)，輸出端的反射噪聲電壓為20×2.3μVp-p，或46μVp-p。這仍然略低于AD7798的量化噪聲。雖然固定、無(wú)噪聲輸入可能產(chǎn)生幾個(gè)閃爍碼，仍然可將AD7798視為主要的噪聲源。

電源與SPI隔離

LTM2886 μModule的5V串行外設(shè)接口(SPI)版本提供隔離型+/-5V電源和隔離型SPI通信。無(wú)需使用外部組件，解耦電容集成在模塊中。LTM2886對(duì)接地層之間的共模瞬態(tài)具有極高的耐受度；通過(guò)大于30kV/us的共模事件保持無(wú)誤差運(yùn)行。LTM2886包含一個(gè)獨(dú)立的邏輯電源引腳，允許主機(jī)側(cè)的邏輯電平電壓為1.62V和5.5V之間的任何電壓。

電路板隔離

圖10和圖11顯示的是電路板隔離柵。該板用于在接地之間提供最大爬電距離，串聯(lián)采用2個(gè)額定值為250V的安全型Y2電容，以降低來(lái)自LTM2886的內(nèi)部開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的傳導(dǎo)噪聲。

圖10.頂層PCB隔離

圖11.底層PCB隔離

常見(jiàn)變化

要實(shí)現(xiàn)更高分辨率的ADC，可以使用AD7799 24位Σ-Δ ADC作為替代選項(xiàng)。如果AD7798/AD7799需要2.5V基準(zhǔn)電壓源，建議使用ADR381或ADR391低噪聲低功耗基準(zhǔn)電壓源。

對(duì)于更低滿量程電流應(yīng)用，AD8417是雙向、零漂移、電流檢測(cè)放大器，具有60V/V增益。

在需要信號(hào)輸入衰減和放大的應(yīng)用中，LT1997-3是一種可選放大器。LT1997-3將精密運(yùn)算放大器與高度匹配的電阻相結(jié)合，構(gòu)成可以準(zhǔn)確放大電壓的單芯片解決方案。在不使用外部組件的情況下，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)0.0714的衰減，高達(dá)+14、精度為0.006% (60ppm)的增益。

CN0548接地之間的最大電位差為+/-250V，受470pF旁路電容限制。更高電壓的應(yīng)用要求修改或移除旁路電容；LTM2886本身可以承受接地之間的2500VRMS，持續(xù)1分鐘。

對(duì)于要求在隔離側(cè)提供更高電壓的應(yīng)用，可以選擇使用LTM2883器件。LTM2883是一款完整的6通道數(shù)字μModule^?（微模塊）電氣隔離器。隔離側(cè)包含±12.5V和5V標(biāo)稱電源，每個(gè)電源可以提供超過(guò)20mA負(fù)載電流。每個(gè)電源可以使用單個(gè)外部電阻來(lái)調(diào)節(jié)其標(biāo)稱值。

電路評(píng)估與測(cè)試

EVAL-CN0548-ARDZ通過(guò)EVAL-ADICUP3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸開(kāi)發(fā)板進(jìn)行測(cè)試。有關(guān)完整設(shè)置詳情和其他重要信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)CN0548用戶指南。

設(shè)備要求

?      萬(wàn)用表

?      EVAL-ADICUP3029

?      EVAL-CN0548-ARDZ

?      臺(tái)式可變電源（例如Agilent e3631）

?      micro USB電纜B型至A型

?      2片式香蕉形插座

?      Windows、Linux或Mac電腦，具有串行端子，裝有Python 3.6或更高版本

開(kāi)始使用

要設(shè)置EVAL-CN0548-ARDZ和相關(guān)軟件，請(qǐng)使用以下步驟：

1.    如圖12所示，連接EVAL-ADI-CUP3029平臺(tái)板頂部的EVAL-CN0548-ARDZ。

2.    利用附帶的micro USB電纜將EVAL-ADICUP3029連接到PC。

3.    在PC中，將預(yù)先生成的.hex文件拖放到DAPLINK驅(qū)動(dòng)器中。參考用戶指南查看最新的hex文件。

4.    按3029_RESET按鈕，或先拔出再重新插入USB電纜來(lái)重置ADICUP3029。

5.    通過(guò)設(shè)備管理器(Windows)或TTY設(shè)備文件(Linux)來(lái)確定EVAL-ADICUP3029 COM端口。

6.    打開(kāi)CN0548_simple_plot.py示例Python腳本。（請(qǐng)參考用戶指南獲取腳本位置。）根據(jù)提示設(shè)置跳線和輸入COM（或tty）端口編號(hào)。

7.    為了進(jìn)行電壓檢測(cè)測(cè)量，如圖13和圖14所示連接主直流源的香蕉接頭。將輸出電壓設(shè)置為5.99V至6V，限流值設(shè)置為3.9A至4A。

8.    為了進(jìn)行電流檢測(cè)測(cè)量，如圖17和圖18所示連接主直流源的香蕉接頭。

圖12.主機(jī)連接

電壓測(cè)量測(cè)試設(shè)置

EVAL-CN0548-ARDZ是在單極和雙極模式下測(cè)試的，按照100mV步長(zhǎng)，分別掃描0-40V和-40至+40V輸入電壓。如圖13和圖14所示，比較EVAL-CN0548-ARDZ板的讀數(shù)和Keithley DMM7510 7-1/2數(shù)字萬(wàn)用表的讀數(shù)。LT1997-2的衰減值設(shè)置為20，并且AD7798和LT1997-2的基準(zhǔn)電壓在單極測(cè)量模式下設(shè)置為0V，在雙極測(cè)量模式下設(shè)置為2.048V。

圖13.電壓輸入測(cè)試設(shè)置

圖14.電壓輸入測(cè)試設(shè)置圖片

單極和雙極電壓測(cè)試結(jié)果

圖15和圖16顯示3個(gè)獨(dú)立的CN0548板的未校正輸出。結(jié)果符合LT1997-2、LT6657和AD7798精度規(guī)格要求。轉(zhuǎn)換函數(shù)中的非線性“步長(zhǎng)”是LT1997-2進(jìn)入“over-the-top”模式的點(diǎn)。

圖15.單極精度（未校準(zhǔn)）

圖16.雙極精度（未校準(zhǔn)）

電流測(cè)量測(cè)試設(shè)置

EVAL-CN0548-ARDZ是在單極和雙極模式下測(cè)試的，按照100mA步長(zhǎng)，分別掃描0A至9A和-9A至+9A輸入電流。如圖17和圖18所示，比較EVAL-CN0548-ARDZ板的讀數(shù)和Keithley DMM7510高分辨率7?數(shù)字萬(wàn)用表的讀數(shù)。

圖17.電流輸入測(cè)試設(shè)置

圖18.電流輸入測(cè)試設(shè)置圖片

單極和雙極電流測(cè)量測(cè)試結(jié)果

圖19和圖20顯示3個(gè)單獨(dú)的CN0548板的未校準(zhǔn)精度。增益誤差主要取決于±1%公差電流檢測(cè)電阻。

圖19.單極電流測(cè)量誤差

圖20.雙極電流測(cè)量誤差

了解更多

?      CN0548設(shè)計(jì)支持包

?      CN0548用戶指南

?      教程MT-031：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)“AGND”和“DGND”的謎團(tuán)，ADI公司。

?      教程MT-035。運(yùn)算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問(wèn)題。ADI公司。

?      Cantrell，Mark。應(yīng)用筆記AN-0971：isoPower器件的輻射控制建議。ADI公司。

ESD警告

ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會(huì)在沒(méi)有察覺(jué)的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ斜Ｗo(hù)電路，但在遇到高能量ESD時(shí)，器件可能會(huì)損壞。因此，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)?/span>ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。

ADI公司的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設(shè)計(jì)構(gòu)建。每個(gè)電路的設(shè)計(jì)和構(gòu)建都嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)。盡管如此，采用者仍需負(fù)責(zé)自行測(cè)試電路，并確定其是否適用。ADI公司將不對(duì)由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導(dǎo)致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負(fù)責(zé)。

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