工作于 24V 至 60V 電壓的高性能三相逆變器在高效伺服驅動器以及協作、手術和類人機器人等新興工業應用中越來越受歡迎。在這些應用中，精確可靠的相電流檢測對于實現平滑的扭矩和精確的位置控制至關重要。這些應用空間非常受限，并且三相逆變器經常集成在電機中。因此，小尺寸的薄型設計以及能夠在高達 125°C 的高溫環境下工作非常重要。

本次為大家介紹的是《適用于 48V 機器人和伺服驅動器的高分辨率、小尺寸相電流檢測》應用手冊。本文將介紹德州儀器新發布的AMC0106M05 和 AMC0106M25 功能隔離式調制器。

簡介

M05 型號支持 ±50mV 的線性輸入范圍，M25 型號支持 ±250mV 的線性輸入范圍。兩款器件都采用小型無引線封裝。AMC0106Mxx 器件可以使用較小的尺寸為三相逆變器設計精確可靠的分流式電流檢測子系統。典型應用包括伺服驅動器以及由低于 60V 的電源供電的協作或類人機器人。提供的是具有自舉電源（線性電流范圍為 ±50A）的 48V 三相 GaN 逆變器的電路設計和布局示例。該設計基于AMC0106M05 型號和 1mΩ 分流器。測試結果表明，實現了多達 14 個有效位數 (ENOB) 的測量分辨率。相電流測量不受 PWM 開關影響，驗證了對共模瞬態的高抗擾度。最后，這表明自舉電源引起的紋波電壓對于寬范圍 PWM 占空比的相電流測量沒有影響。

內容概覽

設計挑戰

與低側分流檢測相比，直列式相電流檢測可實現更高的性能、連續測量并在整個 PWM 周期內更精確地控制電機相電流。在低側分流檢測系統中，電流不連續，相電流只能在低側電源開關導通時的部分 PWM 周期內進行測量。這些系統通常會導致不太精確且帶寬更低的相電流閉環控制。因此，伺服驅動器和機器人應用通常選擇直列式相電流檢測。然而，相電壓經過脈寬調制，并在 GND 和直流母線電壓（通常為 48V）之間定期切換。微控制器以 GND 為基準。這意味著相電流檢測子系統需要處理高共模電壓和高共模瞬態。共模瞬態的壓擺率在 10V/ns 范圍內。使用新出現的快速開關 GaN-FET，壓擺率會明顯更高。最好在微控制器和電流傳感器之間使用數字接口，利用該接口提高信號完整性，并消除開關期間接地反彈的問題。

用于高性能伺服驅動器的電流檢測子系統應當滿足以下要求：

高精度：優于 1%

高分辨率：優于 12 個有效位數 (ENOB)

低傳播延遲（延時）：<20μs

高共模電壓：>60V

高共模瞬態抗擾度 (CMTI)：>>10V/ns

快速短路檢測：<2μs

具有高電磁干擾度（例如傳導射頻和快速瞬態突發）的數字接口

對外部磁場的抗擾度

小巧的 PCB 設計尺寸和薄型封裝

設計方法

在注重小外形尺寸和低高度的空間受限應用中，有多種設計可用于同相電流檢測。封裝內霍爾傳感器、帶非隔離式放大器的分流器以及帶隔離式放大器或隔離式 Δ-Σ 調制器的分流器只是其中的一部分。

1.AMC0106Mxx 功能隔離式調制器

AMC0106Mxx是功能隔離式精密二階 Δ-Σ 調制器，設計用于分流式電流檢測。M05 版本支持 ±50mV 的線性輸入范圍。M25 支持 ±250mV 的線性輸入范圍。隔離柵將在不同共模電壓電平下運行的系統器件隔開。一種典型應用是高性能伺服驅動器中的相電流檢測。隔離柵支持高達 200VRMS / 280VDC 的工作電壓，以及高達 570VRMS / 800VDC 的瞬態過壓。

2.電路設計和布局

圖 1 顯示了使用功能隔離式調制器 AMC0106M05 (U8)（線性輸入電壓范圍為 ±50mV）和1mΩ 3W 分流器 (R39)的相電流檢測子系統的原理圖。1mΩ 分流電阻值決定了線性輸入范圍為 ±50A。AMC0106M05具有 ±64mV 的削波范圍，因此最大電流范圍為 ±64A。分流器在 35ARMS 時的功耗為 1.25W。

圖 1：使用 LMG2100R44 自舉電源的

AMC0106M05 原理圖

3.Sinc3濾波器設計

為了進行測試，在 TMS320F28379D 實時微控制器上實現了 sinc3濾波器。Sinc3濾波器是一種具有恒定傳播延遲（群延遲）的有限脈沖響應 (FIR) 濾波器。傳播延遲取決于正弦濾波器階數、采樣時鐘頻率和過采樣率 (OSR)。

測試和驗證

1.測試設置

圖 2 中顯示了測試設置圖片。左側是總體設置，顯示三相 GaN 逆變器的頂視圖。右側顯示了 PCB 底部 AMC0106M05 的放置區域。

在以下測量中，使用相位符號 U、V、W，而非 PCB 設計和原理圖中使用的 A、B、C 相位符號。例如，原理圖中的 C 相等于測量結果中的 W 相。

圖 2：測試設置圖片

2.數字接口

圖 3 顯示了數字接口的時序。AMC0106M05的時鐘頻率為 20MHz。新數據位是時鐘上升沿上的輸出。時鐘上升沿與數據上升沿（或下降沿）之間的典型延遲為 22ns。

圖 3：數字接口時序

3.直流精度、噪聲和有效位數

執行了一系列測試，以量化不同過采樣率和負載電流條件下的測量噪聲和相應的有效位數 (ENOB)。通過在 1200個 PWM 周期內從 10kHz PWM 的中心測量 1200 個連續樣本來計算 ENOB。PWM 矢量在測試期間保持恒定。

4.PWM 抑制

執行了一系列測試，以量化 PWM 開關期間共模電壓瞬態對 AMC0106M05 測量精度的影響。

5.自舉電源驗證和 AVDD 紋波抑制測試

結語

德州儀器新發布的AMC0106Mxx 系列功能隔離式調制器是一款超小的電隔離式調制器。AMC0106Mxx采用小型無引線封裝，可實現高精度、低噪聲相電流檢測，設計尺寸比目前可實現的尺寸小得多。AMC0106Mxx 具有高共模電壓瞬態抗擾度、出色的電源抑制能力、MCU 數字接口以及固有的磁雜散磁場抗擾度，可確保即使在 PWM 開關過程中也能進行準確的電流測量。AMC0106Mxx 支持高達 125°C 的環境工作溫度范圍，非常適合空間受限的電機集成式 60V 以下三相逆變器設計。典型應用包括 48V 伺服驅動器以及協作或類人機器人，在此類應用中，高性能且穩健的電流測量和小外形尺寸至關重要。