AMC1304x-Q1：高精度隔離式ΔΣ調制器的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，高精度的信號采集與處理是許多項目的關鍵需求。而在汽車、工業控制等領域，對于信號處理設備的精度、隔離性能以及穩定性都有著極高的要求。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的AMC1304x-Q1系列高精度、強化隔離式ΔΣ調制器。

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產品概述

AMC1304-Q1是一款專為汽車應用而設計的精密ΔΣ調制器。它的輸出與輸入電路通過電容式雙隔離屏障分隔，這種隔離屏障具有很強的抗磁干擾能力，并且經過認證，能夠根據DIN V VDE V 0884 - 10、UL1577和CSA標準提供高達7000 VPEAK的強化隔離。搭配隔離電源使用時，該器件可以有效防止高共模電壓線上的噪聲電流進入本地系統接地，從而避免對低壓電路造成干擾或損壞。

這個系列包含了AMC1304L05-Q1、AMC1304L25-Q1、AMC1304M05-Q1和AMC1304M25-Q1等不同型號，它們在輸入電壓范圍和數字輸出接口類型上有所差異，能夠滿足不同的應用場景需求。

突出特性

汽車級認證

該系列產品符合AEC - Q100標準，具有以下特性：

• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，能夠適應汽車等惡劣環境下的溫度變化。
• 良好的ESD防護：HBM ESD分類等級為2，CDM ESD分類等級為C6，有效保護器件免受靜電放電的損害。

多種可選配置

• 輸入電壓范圍：提供 ± 50 mV或 ± 250 mV兩種輸入電壓范圍選項，工程師可以根據具體應用需求進行靈活選擇。
• 數字接口類型：具備CMOS或LVDS數字接口選項，方便與不同類型的控制器進行連接。

卓越的DC性能

• 低偏移誤差：最大偏移誤差為 ± 50 μV或 ± 100 μV，確保了高精度的信號采集。
• 低偏移漂移：偏移漂移最大為1.3 μV/°C，保證了在溫度變化時的穩定性。
• 低增益誤差：最大增益誤差為 ± 0.2%或 ± 0.3%，提高了信號處理的準確性。
• 低增益漂移：增益漂移最大為 ± 40 ppm/°C，使得增益在不同溫度下保持穩定。

安全認證

• 強化隔離：根據DIN V VDE V 0884 - 10標準，提供7000 - (V_{PK})的強化隔離。
• 耐壓測試：符合UL1577標準，能夠承受5000 - (V_{RMS})的隔離電壓長達1分鐘。

其他特性

• 高瞬態抗擾度：瞬態抗擾度最小為15 kV/μs，能夠有效抵抗瞬間的高電壓干擾。
• 強電磁場抗擾度：通過適當設計，具有較高的電磁場抗擾能力，可參考應用筆記SLLA181A。
• 外部時鐘輸入：支持5 - 20 MHz的外部時鐘輸入，方便與系統時鐘同步。
• 片上LDO調節器：集成18 - V LDO調節器，簡化了電源設計。

應用領域

電流與電壓傳感

AMC1304x-Q1非常適合用于基于分流器的電流傳感或基于電阻分壓器的電壓傳感，常見應用場景包括：

• 牽引逆變器：在電動汽車的牽引逆變器中，精確的電流測量對于電機控制至關重要。AMC1304x-Q1能夠準確采集電機相電流，為逆變器的控制提供可靠的數據。
• 車載充電器（OBC）：在車載充電器中，對充電電流和電壓的精確監測可以確保充電過程的安全和高效。
• DC - DC轉換器：在DC - DC轉換器中，實時監測輸入和輸出電流、電壓，有助于實現穩定的功率轉換和控制。
• 電池管理系統（BMS）：在電池管理系統中，精確的電池電流和電壓測量對于電池的充放電管理、健康狀態評估等都起著關鍵作用。

工作原理

模擬輸入

AMC1304-Q1的前端電路包含一個差分放大器和采樣級，后面跟著一個ΔΣ調制器。對于輸入電壓范圍為 ± 250 mV的器件，差分放大器的增益通過內部精密電阻設置為4；對于輸入電壓范圍為 ± 50 mV的器件，增益設置為20。這樣的設計使得器件具有5 kΩ（AMC1304x05 - Q1）或25 kΩ（AMC1304x25 - Q1）的差分輸入阻抗。

在設計中，如果使用高阻抗信號源，需要考慮器件的輸入阻抗，因為這可能會導致增益和偏移規格的下降。此外，差分放大器輸出的內部共模電壓引起的輸入偏置電流會產生一個與輸入信號實際幅度相關的偏移。在對精度要求較高的系統中，可以參考“隔離電壓傳感”部分的內容來減少這些影響。

調制器

AMC1304-Q1采用的是二階、開關電容、前饋式ΔΣ調制器。模擬輸入電壓 (V{IN }) 和1位數字 - 模擬轉換器（DAC）的輸出 (V{5}) 進行差分運算，得到模擬電壓 (V{1}) 輸入到第一積分器級。第一積分器的輸出再輸入到第二積分器級，得到輸出電壓 (V{3}) ，然后與輸入信號 (V{IN }) 和第一積分器的輸出 (V{2}) 進行差分運算。根據所得電壓 (V{4}) 的極性，比較器的輸出會發生變化，1位DAC會在接下來的時鐘脈沖響應，改變其模擬輸出電壓 (V{5}) ，使積分器朝相反方向工作，從而迫使積分器輸出值跟蹤輸入的平均值。

這種調制器將量化噪聲轉移到高頻段，因此需要在器件輸出端使用低通數字濾波器來提高整體性能。該濾波器還用于將高采樣率的1位數據流轉換為低速率的高位數據字（抽取）。TI的TMS320F2807x和TMS320F2837x微控制器系列提供了一個名為sigma - delta濾波器模塊（SDFM）的可編程、硬連線濾波器結構，非常適合與AMC1304 - Q1系列配合使用。當然，也可以使用現場可編程門陣列（FPGA）來實現數字濾波器。

數字輸出

理想情況下，0 V的差分輸入信號會產生一個占空比為50%的1和0的數據流。對于AMC1304x25 - Q1，250 mV的差分輸入會產生一個占空比為90%的數據流；對于AMC1304x05 - Q1，50 mV的差分輸入會產生同樣占空比為90%的數據流。而 - 250 mV（AMC1304x05 - Q1為 - 50 mV）的差分輸入會產生一個占空比為10%的數據流。這些輸入電壓也是不同AMC1304 - Q1版本的指定線性范圍，性能符合數據手冊中的規定。

如果輸入電壓超出這些范圍，當量化噪聲增加時，調制器的輸出會呈現非線性行為。當輸入小于或等于 - 312.5 mV（AMC1304x05 - Q1為 - 62.5 mV）時，調制器輸出會被鉗位為全0；當輸入大于或等于312.5 mV（AMC1304x05 - Q1為62.5 mV）時，輸出會被鉗位為全1。不過，在這種情況下，AMC1304 - Q1會每128個時鐘周期產生一個單一的1（輸入為負滿量程時）或0，以指示器件正常工作。

關鍵參數與規格

絕對最大額定值

在使用AMC1304x - Q1時，需要注意其絕對最大額定值，例如：

• 電源電壓DVDD至DGND范圍為 - 0.3至6.5 V。
• LDO輸入電壓LDOIN至AGND范圍為 - 0.3至26 V。
• 模擬輸入電壓AINP、AINN范圍為AGND - 6至3.7 V。
• 數字輸入電壓CLKIN、CLKIN_N范圍為DGND - 0.3至DVDD + 0.3 V。
• 除電源引腳外，任何引腳的輸入電流范圍為 - 10至10 mA。
• 結溫TJ最大為150°C，儲存溫度Tstg范圍為 - 65至150°C。

ESD評級

該系列產品具有良好的ESD防護能力，人體模型（HBM）靜電放電評級為 ± 2500 V，帶電設備模型（CDM）評級為 ± 1000 V。

推薦工作條件

• LDO輸入電源電壓（LDOIN引腳）：推薦范圍為4.0至18.0 V，典型值為15.0 V。
• 數字（控制器側）電源電壓（DVDD引腳）：推薦范圍為3.0至5.5 V，典型值為3.3 V。
• 工作環境溫度范圍（TA）： - 40至125°C。

電氣特性

不同型號的AMC1304x - Q1在電氣特性上有一些差異，例如：

• AMC1304x05 - Q1：指定線性滿量程范圍（FSR）為 ± 50 mV，輸入帶寬為800 kHz，偏移誤差最大為 ± 50 μV，增益誤差最大為 ± 0.3%。
• AMC1304x25 - Q1：FSR為 ± 250 mV，輸入帶寬為1000 kHz，偏移誤差最大為 ± 100 μV，增益誤差最大為 ± 0.2%。

同時，它們在信號噪聲比（SNR）、信號噪聲加失真比（SINAD）、總諧波失真（THD）、無雜散動態范圍（SFDR）等方面也有各自的性能指標。

應用設計要點

數字濾波器的使用

調制器產生的位流需要通過數字濾波器進行處理，以獲得類似于傳統模數轉換器（ADC）轉換結果的數字字。一個簡單且硬件成本較低的濾波器是sinc3型濾波器，其傳遞函數為： [H(z)=left(frac{1 - z^{-OSR}}{1 - z^{-1}}right)^{3}] 其中，OSR為過采樣率。在本數據手冊中，所有的特性表征都是在過采樣率為256、輸出字長為16位的sinc3濾波器下進行的。

有效位數（ENOB）常用于比較ADC和ΔΣ調制器的性能，可以通過以下公式從SNR計算得到： [NR = 1.76 dB + 6.02 dB * ENOB] 在實際應用中，可以參考“在電機控制應用中結合ADS1202和FPGA數字濾波器進行電流測量”應用筆記（SBAA094）中關于在FPGA中實現sinc3濾波器的示例代碼。

典型應用示例

牽引逆變器應用

在新一代牽引逆變器設計中，隔離式ΔΣ調制器因其出色的交直流性能而被廣泛應用。牽引逆變器是電動汽車和混合動力汽車的關鍵部件，AMC1304 - Q1的輸入結構針對低阻抗分流電阻進行了優化，非常適合用于基于分流器的隔離電流傳感。

在牽引逆變器應用中，當逆變器作為電機驅動系統的一部分時，電機相電流通過分流電阻（RSHUNT）進行測量。根據系統設計，可能會對所有三相或僅兩相電流進行傳感。此外，還可以使用一個額外的AMC1304 - Q1來支持直流母線的隔離電壓傳感，不過在使用高阻抗電阻分壓器時，需要注意測量電阻的阻值可能會影響測量性能。

在設計過程中，通常不需要在ΔΣ調制器前端使用RC濾波器來提高信號路徑的信噪比，因為AMC1304 - Q1的模擬前端輸入帶寬被設計限制在1 MHz。對于調制器輸出位流的濾波，推薦使用TI的TMS320F2807x系列低成本微控制器（MCUs）或TMS320F2837x系列雙核微控制器。這些系列支持多達八個通道的專用硬連線濾波器結構，每個通道提供兩條濾波路徑，一條為控制回路提供高精度結果，另一條為過流檢測提供快速響應路徑，大大簡化了系統級設計。

在電機控制應用中，過流檢測需要非常快的響應時間。對于階躍信號輸入，濾波器的完全建立時間取決于其階數，例如sinc3濾波器需要三個數據更新周期才能完全建立（(f{DATA } = f{CLK } / OSR)）。因此，對于過流保護，除sinc3之外的其他濾波器類型可能是更好的選擇，例如sinc2濾波器。

隔離電壓傳感

雖然AMC1304 - Q1主要針對使用低阻抗分流器的電流傳感應用進行了優化，但在考慮到電阻阻抗影響的情況下，也可以用于隔離電壓傳感應用。

在高電壓傳感應用中，通常使用高阻抗電阻（R1和R2）作為分壓器，主導電流值的定義。傳感電阻R3的阻值選擇要滿足AMC1304 - Q1的輸入電壓范圍。該電阻與器件的差分輸入阻抗（AMC1304x25 - Q1為25 kΩ，AMC1304x05 - Q1為5 kΩ）會形成一個分壓器，導致額外的增益誤差。在假設R1、R2和 (R{IN}) 的阻值遠大于R3的情況下，可以使用以下公式估算總增益誤差： [left|E{Gtot }right|=left|E{G}right|+frac{R3}{R{IN}}] 其中，(E_{G}) 為AMC1304 - Q1的增益誤差。這個增益誤差可以在初始系統級增益校準過程中輕松最小化。

此外，集成差分放大器的輸出內部偏置到2 V的共模電壓，這會導致一個偏置電流 (IB) 通過用于設置放大器增益的電阻網絡R4和R5（或R4'和R5'）。該電流的取值范圍在電氣特性表中有規定。這個偏置電流會產生一個與電阻R3的值有關的額外偏移誤差。由于該偏置電流的值取決于輸入信號的實際共模幅度，初始系統偏移校準無法最小化其影響。因此，在對精度要求較高的系統中，TI建議在AMC1304 - Q1的負輸入（AINN）端使用一個阻值等于分流電阻R3的串聯電阻（即 (R 3' = R 3)）來消除偏置電流的影響。不過，這個額外的串聯電阻會影響電路的增益誤差，其影響可以使用以下公式計算： [E_{G}(%)=left(1 - frac{R 4}{R 4'+R 3'}right) * 100 %] 其中，(R 5 = R 5' = 50 k Omega)，(R 4 = R 4' = 2.5 k Omega)（AMC1304x05 - Q1）或12.5 kΩ（AMC1304x25 - Q1）。

電源供應建議

在典型的牽引逆變器應用中，AMC1304 - Q1的高端電源（LDOIN）直接來自上橋驅動的浮動電源。為了對該電源路徑進行濾波，推薦使用一個0.1 μF的低ESR去耦電容，并將其盡可能靠近AMC1304 - Q1的LDOIN引腳放置，以獲得最佳性能。如果需要更好的濾波效果，可以額外使用一個10 - μF的電容。內部LDO的輸出需要一個0.1 μF的去耦電容連接在VCAP引腳和AGND之間，并盡可能靠近器件。

浮動地參考（AGND）從分流電阻的一端引出，該端連接到器件的負輸入（AINN）。如果使用四引腳分流器，器件的輸入連接到分流器的內引腳，AGND連接到分流器的一個外引腳。

對于控制器側的數字電源去耦，TI建議使用一個0.1 - μF的電容，盡可能靠近AMC1304 - Q1的DVDD引腳組裝，然后再使用一個1 - 10 μF的額外電容。

布局設計要點

布局設計對于AMC1304 - Q1的性能至關重要。建議將去耦電容盡可能靠近AMC1304 - Q1放置，同時將其他所需組件合理布局。為了獲得最佳性能，應將分流電阻靠近AMC1304 - Q1的VINP和VINN輸入放置，并保持兩條連接線路的布局對稱。

對于AMC1304Lx - Q1版本，應將100 - Ω終端電阻盡可能靠近器件的CLKIN、CLKIN_N輸入放置，以實現最高的信號完整性。如果沒有集成終端電阻，則需要在MCU或濾波器設備的LVDS數據輸入附近額外放置一個終端電阻。

總結

AMC1304x - Q1系列高精度、強化隔離式ΔΣ調制器以其卓越的性能、豐富的