摘要

在高壓工業(yè)應(yīng)用場景中，隔離采樣技術(shù)能夠保護(hù)低壓電路免受高壓電源電路故障的影響，同時確保不同電壓域之間維持通信，從而顯著提高系統(tǒng)可靠性。

NSI1400是一款基于納芯微電容隔離技術(shù)的高性能隔離放大器，其輸出與輸入相互隔離。該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于分流電流監(jiān)測、電機(jī)驅(qū)動、不間斷電源、光伏逆變器等多個領(lǐng)域。為了幫助客戶簡化設(shè)計流程，本應(yīng)用指南介紹了如何根據(jù)客戶的電流采樣需求使用NSI1400。

1. 典型應(yīng)用電路

NSI1400隔離放大器非常適合用于高壓應(yīng)用場景中的分流電阻式電流采樣，比如電機(jī)驅(qū)動。典型的應(yīng)用電路如圖1所示。

分流電阻Rsense兩端的電壓通過RC濾波器（RFLT和CFLT）施加到NSI1400的差分輸入端。為了實現(xiàn)輸入開關(guān)電容電路的電荷緩沖（參見2.1節(jié)“采用開關(guān)電容電路的模擬輸入”了解更多詳細(xì)信息），必須增加大于330pF的濾波電容，并確保其位置盡可能靠近NSI1400，以提升在高噪聲應(yīng)用場景中的性能。

隔離放大器的差分輸出通過基于運算放大器的電路轉(zhuǎn)換為單端模擬輸出。建議在OUTP和OUTN引腳上添加大于1kΩ的電阻，以防止輸出過流。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通常在后端接收這個單端模擬輸出信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便控制器進(jìn)行處理。

圖1. 相電流采樣典型應(yīng)用電路

2.輸入調(diào)理電路

在NSI1400的應(yīng)用中，如果輸出誤差（比如，增益誤差或輸入失調(diào)電壓）異常地超出數(shù)據(jù)表規(guī)定的規(guī)格，這可能歸咎于輸入調(diào)理電路設(shè)計不當(dāng)。本節(jié)將根據(jù)NSI1400的開關(guān)電容模擬輸入電路和抗混疊原理，介紹NSI1400應(yīng)用的推薦輸入調(diào)理電路。

2.1采用開關(guān)電容電路的模擬輸入

作為NSI1200/NSI1300的迭代升級產(chǎn)品，NSI1400在輸入架構(gòu)方面進(jìn)行了優(yōu)化，旨在減少由輸入偏置電流引起的采樣誤差。然而，這種架構(gòu)變化對輸入濾波電容的選擇提出了新的要求（建議大于330pF）。如果設(shè)計不當(dāng)，可能會導(dǎo)致采樣誤差增加。為了更好地幫助客戶理解，下面將詳細(xì)解釋NSI1400的輸入架構(gòu)。

NSI1400的模擬輸入是基于二階Σ-Δ調(diào)制器的開關(guān)電容電路。模擬輸入的等效電路如圖2所示。內(nèi)部電容CIND通過周期性開關(guān)動作以12MHz的內(nèi)部時鐘頻率fCLK連續(xù)充放電，實現(xiàn)輸入信號數(shù)字化。在充電階段，S1閉合，S2斷開，CIND充電至輸入差分電壓。在放電階段，S1斷開，S2閉合，CIND放電至GND1+0.9V的電壓水平。根據(jù)等效電路，可以按下面的公式計算輸入電阻RIND：

圖2. 模擬輸入的等效電路

當(dāng)電容性負(fù)載切換到輸入端時，由于電荷重新分配，輸入信號幅度會暫時下降。輸入源嘗試糾正這種情形，同時由于較長輸入線路表現(xiàn)出類似電感的特性，這個過程中可能會出現(xiàn)過度振鈴現(xiàn)象。為了解決這個問題，每個輸入端增加外部電容器可以幫助提供采樣過程中產(chǎn)生的電流尖峰。選用容量大于330pF的外部電容器（圖1所示CFLT，也作為濾波電容）是提高瞬態(tài)電荷供應(yīng)能力的一種方法。輸入電容器應(yīng)盡可能靠近NSI1400放置，以抑制振蕩并確保采樣精度。

2.2 抗混疊原理

采樣系統(tǒng)能夠以高精度處理的最高頻率信號稱為其奈奎斯特極限。采樣率必須大于或等于輸入信號最高頻率的兩倍。如果輸入信號頻率超過奈奎斯特頻率，通帶中會產(chǎn)生冗余或有害信號，這種現(xiàn)象稱為混疊。圖3闡明了信號混疊機(jī)制。例如，采樣率fs為1MHz，采樣信號帶寬為fs的一半，即500kHz（奈奎斯特頻率）。在采樣過程中，頻率為fin（fin>fs/2）的輸入信號會鏡像至通帶中，成為頻率為fs-fin的錯誤混疊信號。在實際應(yīng)用場景中，通常設(shè)置更高的采樣率，以提供一定的裕量并減少濾波需求。

圖3.信號混疊機(jī)制

除了滿足輸入信號頻率低于奈奎斯特極限的要求，采樣系統(tǒng)的輸入信號通常包含頻率超過奈奎斯特頻率的高頻噪聲。這些噪聲會混疊到通帶成為干擾信號。因此，需要在采樣系統(tǒng)輸入端設(shè)置抗混疊濾波器，從而在采樣前濾除高頻噪聲，避免噪聲混疊。選擇的濾波器應(yīng)考慮截止頻率可以消除采樣輸入的高頻噪聲或至少將其衰減至不會對采樣信號產(chǎn)生明顯影響的程度。

NSI1400是一個采樣頻率為12MHz的采樣系統(tǒng)。為了防止混疊到通帶內(nèi)的高頻噪聲，抗混疊濾波器的截止頻率不超過6MHz。

2.3 輸入濾波器設(shè)計

NSI1400的輸入調(diào)理濾波器設(shè)計考慮了電荷緩沖需求、抗混疊、輸入信號頻率和系統(tǒng)帶寬等因素，如圖1所示。

為了滿足輸入開關(guān)電容電路的電荷緩沖需求，濾波電容器的容量需大于330pF。表1列出了在不同輸入濾波電容條件下，NSI1400的增益誤差測量結(jié)果。根據(jù)規(guī)格書指標(biāo)，增益誤差在±0.3%以內(nèi)。因此，需要選擇容量大于330pF的濾波電容器，而容量大于1nF的濾波電容器更佳。

表1.NSI1400樣片在不同輸入濾波電容下的增益誤差

針對存在高頻干擾應(yīng)用的抗混疊需求，抗混疊濾波器的截止頻率不超過6MHz，如第2.2節(jié)所示。

位于INN和INP引腳之間的電容器用于濾除差分噪聲，稱為差分電容器Cdiff。位于INN/INP引腳與GND1之間的電容器用于濾除共模噪聲，稱為共模電容器Ccm。為了減少不同輸入引腳的共模電容誤差影響，建議Cdiff值至少是Ccm值的10倍。這可以防止由于元件容差導(dǎo)致共模噪聲被轉(zhuǎn)換為差分噪聲。如果系統(tǒng)的共模噪聲在可接受范圍內(nèi)，則無需設(shè)置Ccm。客戶可以根據(jù)自身需求調(diào)整濾波器的設(shè)計。共模噪聲濾波器和差分噪聲濾波器的截止頻率如下所示：

(未完持續(xù))

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