借助集成高壓電阻隔離式放大器和調(diào)制器提高精度和性能

本應(yīng)用手冊介紹了用于高壓檢測的全新 AMC038x 器件系列，包括具有集成電阻分壓器的電隔離放大器和調(diào)制器，并重點(diǎn)介紹了其優(yōu)勢和常見用例。

簡介

隨著高電壓汽車和工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展，人們對于精確、安全和高能效的電隔離電壓檢測設(shè)計(jì)的需求日益增長。AMC038x 產(chǎn)品系列是一組隔離式放大器和調(diào)制器，具有更高精度、增強(qiáng)集成和更強(qiáng)功能，可滿足這些要求。與使用外部電阻分壓器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，這些器件采用集成高壓 (HV) 電阻，因此設(shè)計(jì)尺寸大大減小。要將電壓降至 1V 或 2V 電平，外部高壓電阻分壓器可能尺寸很大且成本高昂。此外，與分立式電阻相比，集成電阻具有非常低的溫度漂移和使用壽命漂移。因此，AMC038x 產(chǎn)品能夠在整個溫度范圍和使用壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)低于 1% 的精度，并且無需校準(zhǔn)。

高電壓電阻隔離式放大器和調(diào)制器的優(yōu)勢

與使用外部電阻分壓器電壓檢測器件的標(biāo)準(zhǔn) 2V 輸入相比，AMC038x 產(chǎn)品系列具有許多優(yōu)勢，包括提高精度并減小布板空間。

1.節(jié)省空間

圖1 節(jié)省布板空間

電流分立式高壓電阻會占用 PCB 上的大部分空間。通常，單個電阻的壓降受限于制造商,由于板級可靠性問題，客戶傾向于選擇尺寸較小的電阻。因此，系統(tǒng)可能需要多達(dá) 15 個高壓電阻來降低電壓并維持系統(tǒng)的隔離額定值。相比之下，AMC038x 產(chǎn)品系列將高壓電阻集成到器件中，相當(dāng)于使設(shè)計(jì)更簡單、更小巧。這在高壓輸入和下一個最近的引腳之間提供了 8mm 爬電距離和間隙距離。如圖 1 所示，設(shè)計(jì)尺寸減小了 50% 以上，并大大減少了 BOM 數(shù)量。

2.集成高壓電阻的溫度漂移和使用壽命漂移更低

除了節(jié)省空間之外，集成高壓電阻分壓器還可提高精度。以往采用外部電阻的設(shè)計(jì)具有更高的溫度漂移和使用壽命漂移；省去外部電阻可以消除大部分總誤差。更具體地說，外部電阻的溫度漂移會隨時(shí)間推移越來越嚴(yán)重。通常，外部電阻分壓器在分壓器的上半部分使用高壓電阻，在分壓器的下半部分使用低壓 (LV) 電阻。這些低壓電阻通常具有不同的類型、結(jié)構(gòu)或材料。集成電阻分壓器對上電阻和下電阻使用相同的材料，因此溫度系數(shù)非常低。電阻分壓器的任何剩余誤差隨后都會在生產(chǎn)中得到校準(zhǔn)，這實(shí)際上完全消除了電阻分壓器誤差?？紤]以下示例：

圖2 外部電阻設(shè)計(jì)

圖3 集成電阻設(shè)計(jì)

外部電阻最壞情況下的漂移誤差：

集成電阻最壞情況下的漂移誤差：

由于外部電阻可以朝相反方向變化，這相當(dāng)于總信號鏈誤差的 2/3 以上，額外增加 1%。因此，與高壓集成電阻產(chǎn)品不同，外部電阻設(shè)計(jì)很難在整個溫度范圍和使用壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)低于 1% 的精度。

3.精度結(jié)果

圖4 輸出基準(zhǔn)誤差百分比與輸入電壓之間的關(guān)系

圖5 輸出基準(zhǔn)誤差電壓與輸入電壓之間的關(guān)系

為了進(jìn)行說明，圖 4 和圖 5 展示了 AMC038x 器件在整個溫度范圍內(nèi)的典型精度。這兩張圖表明，AMC038x 在 100V 以上可實(shí)現(xiàn)低于 0.4% 的精度，并且無需系統(tǒng)級校準(zhǔn)，即可在整個溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 100V 輸入以下 0.5V 絕對誤差。保存校準(zhǔn)例程可降低用于實(shí)現(xiàn)精確電壓測量應(yīng)用的生產(chǎn)成本。

圖6 MC038x，熱結(jié)果：12.5MΩ

此外，AMC0381D10 熱結(jié)果證明了該器件系列在極高電壓下的穩(wěn)定性能。在 1000V 下，封裝的 θJA 熱阻為 107°C/W，預(yù)計(jì)溫升為 8°C，這與實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果非常一致。這不僅可以接受，還證實(shí)了在較高環(huán)境溫度下的安全性能。

4.完全集成電阻與附加外部電阻示例

在車載充電器 (OBC) 應(yīng)用中，精確的電壓測量和溫度范圍內(nèi)的性能穩(wěn)定至關(guān)重要。要使電池在使用數(shù)年后仍可完全充滿電，必須實(shí)現(xiàn)電池的完全充電狀態(tài)。Ergo、更高精度和低使用壽命漂移直接有助于這些系統(tǒng)的持續(xù)成功。這些原則也可以擴(kuò)展到其他混合動力汽車、能源基礎(chǔ)設(shè)施和電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。

一些應(yīng)用也可以考慮添加外部電阻來手動調(diào)整內(nèi)部電阻分壓器的增益。這是可行的；但需要注意的是，這會重新引入在使用集成電阻器件時(shí)幾乎可以避免的溫度漂移和增益誤差。借助集成電阻，高壓和低壓電阻的增益漂移可以朝同一方向漂移，并在溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，實(shí)際微乎其微。當(dāng)引入一個外部電阻 REXT 時(shí)，在最壞情況下，內(nèi)部電阻和 REXT 的增益漂移會朝相反方向變化并對系統(tǒng)增加二次誤差。例如，如果用戶希望在 1000V 器件上檢測 1200V 電壓，該用戶可以考慮以下演示：

圖7 增益誤差電阻分壓器變化原理圖

案例1：在1000V器件上檢測1000V (AMC0381R10)：

對于 1000V 器件：RHV = 12.5MΩ；RSNS = 12.5kΩ。集成電阻容差為 ±20%。高壓和低壓電阻 RHV 和 RSNS 朝相同方向漂移。SNSP 引腳上的標(biāo)稱電阻分壓器電壓：

SNSP 引腳上的最大電阻分壓器電壓：

輸出基準(zhǔn)增益誤差：

如果未能充分?jǐn)U大滿量程輸入范圍，則會導(dǎo)致失調(diào)電壓誤差，進(jìn)而造成更大的滿量程誤差。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱隔離式電壓檢測計(jì)算器。

案例2：使用1000V器件 (AMC0381R10) 檢測1200V：

對于 1000V 器件：RHV = 12.5MΩ；RSNS = 12.5kΩ。該設(shè)計(jì)需要在 SNSP 和 AGND 之間包含一個外部電阻 REXT。這可能會對系統(tǒng)造成二次誤差，因此不建議這樣做。不得超過器件的絕對最大額定值。

集成電阻的容差為 ±20%，外部電阻的容差為 0.1%。在最壞情況下，REXT 的漂移方向可能會與 RHV 和 RSNS 相反。SNSP 引腳上帶外部電阻的標(biāo)稱電阻分壓器電壓：

SNSP引腳上帶外部電阻的最大電阻分壓器電壓：

輸出基準(zhǔn)增益誤差：

按原樣使用集成電阻器件不會引入任何可測量到的增益漂移。添加一個外部電阻來手動調(diào)節(jié)這些器件的增益可能會引入額外誤差，最壞情況下會對總系統(tǒng)誤差增加 3.44% 的增益漂移誤差，因此不建議這樣做。

5.完全集成電阻與附加外部電阻示例

圖8 AMC038x選擇樹

表1 交流電壓檢測用例

表2 直流電壓檢測用例

AM038x 器件器具有四個固定比率選項(xiàng)，可提供四個不同的輸入電壓范圍：400V、600V、1000V 和 1600V。這些器件還具有三種不同的輸出類型：差分模擬輸出、單端模擬輸出和數(shù)字位流調(diào)制器輸出（圖 8）。這些器件通過雙極輸入選項(xiàng)（表 1）支持交流電壓檢測，通過直流輸入選項(xiàng)（表 2）支持直流電壓檢測。

總結(jié)

AMC038x 產(chǎn)品系列尺寸更小、精度更高且易于集成，適用于各種應(yīng)用的強(qiáng)大設(shè)計(jì)。集成高壓電阻可實(shí)現(xiàn)低于 1% 的行業(yè)領(lǐng)先精度，PCB 設(shè)計(jì)尺寸減小 50%，并且無需行末校準(zhǔn)。這些改進(jìn)大大提升了這些隔離式放大器和調(diào)制器在混合動力汽車、能源基礎(chǔ)設(shè)施和電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中的適用性。