AMC1106x：小體積、高精度的基本隔離式ΔΣ調制器

在電子設計領域，高精度的電流傳感和信號處理至關重要。今天，我們要深入探討德州儀器（TI）的AMC1106x系列，這是一款小體積、高精度的基本隔離式ΔΣ調制器，在三相電表等應用中具有出色的表現。

文件下載：amc1106e05.pdf

產品特性亮點

輸入特性與編碼選項

• 輸入電壓范圍：±50 - mV的輸入電壓范圍，專門針對使用分流電阻進行電流測量進行了優化。這使得它能夠在較小的電壓范圍內實現高精度的電流傳感，同時允許使用較小的分流電阻值，從而降低功耗。
• 編碼選項：提供曼徹斯特編碼或未編碼的比特流選項，為不同的系統設計提供了靈活性。

高精度的直流性能

• 偏移誤差和漂移：最大偏移誤差為±50 μV，漂移為±1 μV/°C。這確保了在系統級別的高精度傳感中，能夠提供穩定可靠的測量結果。
• 增益誤差和漂移：最大增益誤差為±0.2%，漂移為±40 ppm/°C。在不同的溫度環境下，依然能夠保持較高的增益精度。

低功耗與系統診斷

• 低功耗運行：采用3.3 - V電源供電，有效降低了隔離屏障兩側的功耗，提高了系統的能源效率。
• 系統診斷功能：具備系統級診斷特性，能夠及時發現和報告系統中的異常情況，增強了系統的可靠性。

電磁兼容性與安全認證

• 高電磁抗擾度：具有高電磁抗干擾能力，可參考ISO72x數字隔離器磁場抗擾度應用報告。
• 安全認證：符合多項安全相關認證，如5657 - (V{PK})基本隔離（DIN VDE V 0884 - 11: 2017 - 01）和4000 - (V{RMS})隔離1分鐘（UL1577、CAN/CSA No. 5A - 組件驗收服務通知和DIN EN 61010 - 1終端設備標準）。

主要應用場景

AMC1106x在基于分流電阻的三相電表電流傳感中有著廣泛的應用。傳統的三相電表中，電流互感器（CT）是常用的電流傳感器，但強磁場可能會使CT飽和，影響能量測量的準確性。而分流電阻對磁場免疫，結合AMC1106x的高精度特性，可以設計出不受磁場干擾的電表。

詳細技術解析

器件概述

AMC1106是一款精密的ΔΣ調制器，其輸出與輸入電路通過電容隔離屏障分離，該屏障對磁干擾具有高度抗性。輸入級經過優化，可直接連接到分流電阻或其他低電壓信號源，實現出色的交流和直流性能。

功能框圖與工作原理

• 功能框圖：包括模擬輸入級、ΔΣ調制器、隔離接口等部分。模擬輸入級是一個全差分放大器，將輸入信號饋送到二階ΔΣ調制器，將模擬信號數字化為1 - 位輸出流。
• 工作原理：外部時鐘信號在CLKIN引腳提供，輸出的串行比特流的時間平均值與模擬輸入電壓成正比。

特性詳細描述

• 模擬輸入：前端電路包含差分放大器和采樣級，差分放大器的增益由內部精密電阻設置為20倍，輸入電阻為4.9 kΩ。為了降低偏移和偏移漂移，采用斬波穩定技術，開關頻率為(f_{CLKIN } / 32)。
• 調制器：二階開關電容前饋ΔΣ調制器，將量化噪聲轉移到高頻，需要在輸出端使用低通數字濾波器來提高整體性能。
• 隔離通道信號傳輸：采用開關鍵控（OOK）調制方案，通過基于(SiO_{2})的電容隔離屏障傳輸調制器輸出的比特流，提高了CMTI性能并降低了輻射發射。
• 數字輸出：輸入電壓在 - 50 mV至50 mV范圍內時，輸出具有線性特性；超出該范圍，輸出會出現非線性行為，量化噪聲增加。當輸入小于或等于 - 64 mV時，輸出為全零；大于或等于64 mV時，輸出為全一。
• 曼徹斯特編碼特性：AMC1106E05提供符合IEEE 802.3的曼徹斯特編碼功能，生成的比特流至少有一個轉換，支持從比特流中恢復時鐘信號，便于單線路數據和時鐘傳輸。

器件功能模式

• 故障安全輸出：當AVDD高側電源電壓缺失時，輸出為邏輯0的穩態比特流；當輸入共模電壓達到或超過共模過壓檢測電平(V_{CMov})時，輸出為邏輯1的穩態比特流。
• 滿量程輸入時的輸出行為：當輸入信號達到滿量程時，器件每128個時鐘周期輸出一個1或0，方便在系統級區分滿量程輸入和電源缺失的情況。

應用設計要點

數字濾波器的使用

調制器輸出的比特流需要經過數字濾波器處理，以獲得類似于傳統模數轉換器（ADC）的轉換結果。推薦使用sinc3類型的濾波器，它在二階調制器中能夠以最小的硬件成本提供最佳的輸出性能。

典型應用設計

設計要求

• 電源電壓：AVDD1、AVDD2和AVDD3高側電源電壓為3.3 V或5 V，DVDD低側電源電壓為3.3 V或5 V。
• 分流電阻電壓降：線性響應時，分流電阻上的電壓降最大為±50 mV。
• 精度要求：達到0.5級或更高精度。

詳細設計步驟

• 電源設計：AVDD可通過外部電容降壓或無芯變壓器電源電路獲取，使用低ESR的0.1 μF去耦電容進行濾波。
• 分流電阻選擇：根據歐姆定律(V{SHUNT }=I ×R{SHUNT })計算分流電阻上的電壓降，選擇合適的電阻值，確保電壓降不超過推薦的差分輸入電壓范圍和引起削波輸出的輸入電壓。
• 濾波電路：在AMC1106前端使用RC濾波器，提高系統的信噪比和抗高頻電磁場干擾能力。
• 輸出處理：推薦使用TI的MSP430F67x系列低功耗微控制器進行輸出比特流平均處理，該系列提供了sigma - delta模塊（SD24_B），可直接訪問數字濾波器。

電源與布局建議

電源建議

為了降低系統成本，AMC1106的高側電源（AVDD）可采用外部電容降壓電源。在電源路徑上使用0.1 μF的去耦電容，并將其盡可能靠近AVDD引腳。對于控制器側的數字電源，使用0.1 μF電容靠近DVDD引腳，再加上1 μF至10 μF的額外電容進行去耦。

布局指南

• 元件放置：將分流電阻靠近AMC1106的AINP和AINN輸入，并保持連接布局對稱。去耦電容應盡可能靠近AMC1106的電源引腳。
• 隔離區域：在布局中設置清晰的隔離區域，避免導電材料進入，以確保隔離性能。

總結

AMC1106x系列調制器以其小體積、高精度、低功耗和出色的隔離性能，為三相電表等應用中的電流傳感提供了優秀的解決方案。在設計過程中，合理選擇元件、優化電源和布局，能夠充分發揮其性能優勢，實現高精度、高可靠性的系統設計。各位工程師在實際應用中，不妨多嘗試和探索，挖掘其更多的潛力。

你在使用AMC1106x或者類似器件的過程中，遇到過哪些有趣的問題或者有什么獨特的設計經驗呢？歡迎在評論區分享交流。