隔離運放在電機驅動中的應用

電機驅動器是用來控制各種電機，比如AC變頻器，伺服電機的一種控制器。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對電機進行控制，實現傳動系統定位。高分辨率、精確電壓電流測量在需要高性能扭矩和運動控制的工業電機驅動應用中至關重要。因為工業電機驅動器需要滿足 (IEC) 61800-5-1的電氣安全的需求，所以相應需要采取普通或加強型的隔離電路設計。相較于霍爾效應傳感器、磁通門傳感器與電流互感器， 分流電阻器加隔離運放的方案在線性度、帶寬和漂移等性能更好。在電機驅動器中，通常會在功率板用隔離采樣運放來對相電流，母線電流和母線電壓等進行采樣，如下圖1：

圖1 電機驅動器電壓電流采樣 下圖所示，是使用隔離運放來進行相電流采樣的常見結構和內部原理圖。

圖2 相電流采樣的常見結構 應用在該系統里的隔離運放TI明星產品如下表： 表1 應用于電機驅動系統的隔離運放明星產品

隔離運放單端和差分輸出對采樣性能的影響：

運放的差分輸出結構因具有更好的抗干擾性而廣泛存在，但是后級MCU的ADC一般為單端輸入，所以常規做法是在靠近MCU內置ADC輸入的位置，加上一個單端轉差分的運放。那么經常會產生疑問，能不能不額外加這個運放，直接將隔離運放的差分輸出的一個腳接地，另一個腳接入MCU的內置ADC呢？如果這樣做，會帶來什么問題呢？ 我們以AMC1311為例來探討這個問題。 首先，為了更直觀地了解AMC1311的輸出性能，AMC1311的差分輸出Outp和Outn的波形可以通過TINA仿真電路得到, TI.com提供PSpice模型：https://www.ti.com/product/AMC1311#design-development

圖3AMC1311的TINA仿真模型參考電路 輸入采樣量Vin=0~2V正弦，輸出波形如下圖4， Outp: 1.44~2.44V,ΔVpp_p=1V Outn: 0.44~1.44V,ΔVpp_n=1V Out: 0~2V,ΔVpp=2V Outp和Outn的波形以1.44V呈鏡像。

圖4AMC1311的pspice仿真輸出波形 如果將Outn懸空或通過電阻接地（注意，輸出腳不可以直接接地，接地電阻建議10k?），將Outp直接接入后級單端輸入ADC里。帶來的影響：

1、共模輸出電壓Vcmout誤差的影響從AMC1311數據手冊得知：Vcmout=1.44±50mV。若差分結構輸出，Outn與Outp因為互呈鏡像，兩者相減得到Out，Vcmout的50mV的誤差可以認為相互抵消，忽略不記。但是單端結構則不然。這個±50mV會帶來原始的Vos誤差。對于單端結構，當輸入腳短接，Out的值理論上為1.44V，如果不是， 那么需要進一步的校準，校準工作一般在MCU的算法中進行。
2、對后級ADC的SNR的影響SNR(signal to noise ratio)是重要的AC指標，影響ADC的有效位數ENOB，理想公式為： 而SNR的公式定義如下：

圖5 SNR定義 單端輸出的交流幅值是差分輸出的一半，所以如果采用單端結構，那么SNR指標會變差，進而影響ADC有效位數。所以，相較于差分輸出結構，單端輸出結構對于運放輸出范圍和后級ADC輸入范圍的利用率僅為一半，會帶來對于Vos以及SNR指標的不良影響。客戶在采用這種結構時，需要考慮這些不良影響。

隔離運放輸出單端轉差分輸出方案推薦

通過添加后級運放可以在實現差分轉單端的同時進行信號調理可以完美適配后級ADC的輸入要求，解決上述問題。圖6所示是示意電路，設計詳情可以參考TI的技術文章sbaa229：Interfacing a Differential-Output (Isolated) Amplifier to a Single-Ended Input ADC。

圖6 差分轉單端外部電路 對于提供內置差分輸入ADC的MCU，比如C2000系列的TMS320F2837x同時提供16bit差分輸入的ADC通道和12bit單端輸入的ADC通道，可以為信號處理提供更多自由度。如果想要追求更高的精度，可以免去中間電路，直接將差分運放的輸出接到對應的差分輸入ADC模塊，同時獲得更好的精度和信噪比。如圖7：

圖7AMC1311和TMS320F283777S電路示意圖

本文介紹在應用電機驅動器中，采用隔離運放的系統架構和TI明星產品。涉及了相關電路設計和外部信號調理與MCU的配合。結合后級ADC，深入討論了隔離運放單端結構輸出和差分結構輸出對整體采樣性能的影響，提供了相應的分析和建議。

總結來說，如果采用內置差分輸入ADC的MCU，比如C2000系列的TMS320F2837x，可以免去中間電路，直接將差分運放的輸出接到對應的差分輸入ADC模塊，同時獲得更好的精度和信噪比；如果采用內置單端輸入ADC的MCU，添加 一顆簡單運放比如TLV6001，可以在實現差分轉單端的同時進行信號調理可以更加完美地適配后級ADC的輸入要求。如果想要省去額外調理運放，可以采用一端電阻接地，但需要考慮對于采樣準確度和信噪比的不良影響。

責任編輯：xj

原文標題：應用于電機驅動的隔離運放單端和差分輸出對采樣性能的影響

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