AMC1303x：小身材大作用的高精度隔離式Δ-Σ調制器

引言

在電子工程師的日常設計工作中，高精度、可靠的信號處理與隔離往往是至關重要且極具挑戰性的任務。德州儀器（TI）推出的AMC1303x系列小尺寸、高精度、強化隔離式Δ - Σ調制器，為我們提供了一種高效的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款調制器的特點、應用以及設計要點。

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一、產品概述

AMC1303x系列包含了如AMC1303E0510、AMC1303M0510等多種型號。它是一系列精密的隔離式Δ - Σ調制器，輸出與輸入電路由電容隔離屏障分隔，這種屏障對磁干擾具有很強的抵抗力，并且根據DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）和UL1577標準，可提供高達7000Vpk的強化隔離，支持最高1.5kVrms的工作電壓。

顯著特點

1. 引腳兼容性與多種選項：這是一個引腳兼容的系列，針對基于分流電阻的電流測量進行了優化，提供±50mV或±250mV的輸入電壓范圍選擇，還有曼徹斯特編碼或未編碼的位流選項以及10MHz和20MHz的時鐘選項，能滿足不同應用場景的多樣化需求。
2. 出色的直流性能：在直流性能方面表現卓越，偏移誤差最大為±50μV或±100μV ，偏移漂移最大為±1μV/°C，增益誤差最大為±0.2%，增益漂移最大為±40ppm/°C。這些優秀的參數確保了在各種環境下的測量精度。
3. 瞬態抗擾度：具備100kV/μs（典型值）的瞬態抗擾度，能夠在復雜的電磁環境中穩定工作，有效抵抗瞬間的干擾信號。
4. 系統級診斷功能：擁有系統級診斷特性，方便工程師對系統進行監測和故障排查。
5. 安全認證：獲得了多項與安全相關的認證，如符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）的7000Vpk強化隔離、符合UL1577的1分鐘5000Vrms隔離，以及CAN/CSA no. 5A - 組件驗收服務通知和IEC 62368 - 1終端設備標準，滿足了在安全要求較高的應用場景中的使用需求。
6. 寬溫度范圍：在擴展工業溫度范圍（ - 40°C至 + 125°C）內進行了全面的規格定義，適用于各種惡劣的工業環境。

二、應用領域

AMC1303x系列適用于多種需要進行分流電阻式電流傳感和隔離電壓測量的場景，以下是一些典型的應用領域：

1. 工業電機驅動：在工業電機驅動系統中，精確的電流測量對于電機的控制和保護至關重要。AMC1303x的高精度和高抗擾度能夠確保準確測量電機電流，從而實現更精確的電機控制，提高系統的穩定性和效率。
2. 光伏逆變器：光伏逆變器需要對輸入和輸出電流進行精確測量，以實現最大功率點跟蹤（MPPT）和系統的安全運行。AMC1303x的高性能可以滿足光伏逆變器對電流測量的嚴格要求，提高光伏發電系統的整體性能。
3. 不間斷和隔離電源：在不間斷和隔離電源中，準確的電壓和電流測量是保證電源穩定性和可靠性的關鍵。AMC1303x的隔離特性和高精度測量能力，有助于實現對電源的精確監測和控制。
4. 功率因數校正電路：功率因數校正電路需要實時監測電流和電壓，以優化功率因數。AMC1303x能夠提供準確的測量數據，幫助工程師實現高效的功率因數校正。

三、詳細技術分析

（一）功能框圖與工作原理

AMC1303的模擬輸入級是一個全差分放大器，為二階Δ - Σ調制器級的開關電容輸入提供信號，將輸入信號數字化為1位輸出流。轉換器的隔離數據輸出DOUT提供一系列數字1和0，與CLKOUT引腳（僅AMC1303Mx型號有效）上的內部生成時鐘同步，其頻率在開關特性表中指定。這個串行位流輸出的時間平均值與模擬輸入電壓成正比。

（二）關鍵特性詳解

1. 模擬輸入：AMC1303包含一個前端電路，其中的差分放大器增益由內部精密電阻設置。對于輸入電壓范圍為±250mV的設備（AMC1303x25x），增益因子為4；對于輸入電壓范圍為±50mV的設備（AMC1303x05x），增益因子為20。為了減少偏移和偏移漂移，差分放大器采用斬波穩定技術，開關頻率設置為625kHz。不過，在使用高阻抗信號源的設計中，需要考慮AMC1303的輸入電阻，因為它可能會導致增益和偏移規格的下降。同時，模擬輸入信號有一定的限制，輸入電壓超出AGND - 6V至AVDD + 0.5V范圍時，要將輸入電流限制在10mA，并且只有當差分模擬輸入電壓保持在指定的線性滿量程范圍（FSR）和輸入共模電壓范圍內時，設備的線性度和噪聲性能才符合規格。
2. 調制器：AMC1303采用的是二階、開關電容、前饋Δ - Σ調制器，它將量化噪聲轉移到高頻。因此，需要在設備輸出端使用低通數字濾波器來提高整體性能，該濾波器還可將高采樣率的1位數據流轉換為低速率的更高位數據字（抽取）。TI的一些微控制器系列，如TMS320F2807x和TMS320F2837x，提供了適合與AMC1303系列配合使用的可編程、硬連線濾波器結構，即sigma - delta濾波器模塊（SDFM）；MSP430F677x微控制器上的SD24_B轉換器也可直接訪問集成的sinc - 濾波器；此外，還可以使用現場可編程門陣列（FPGA）來實現濾波器。
3. 隔離通道信號傳輸：AMC1303使用開關鍵控（OOK）調制方案，通過基于SiO?的電容隔離屏障傳輸調制器輸出位流。發射器用內部生成的480MHz載波對TX IN處的位流進行調制，通過隔離屏障表示數字0，無信號表示數字1。接收器在進行高級信號調理后對信號進行解調并產生輸出。這種隔離通道的對稱設計提高了共模瞬態抗擾度（CMTI）性能，并減少了高頻載波引起的輻射發射。
4. 數字輸出：理想情況下，0V的差分輸入信號會產生一個高低電平各占50%時間的1和0的流。對于AMC1303x25x，250mV的差分輸入會產生一個高低電平占比為89.06%的流；對于AMC1303x05x，50mV的差分輸入會產生類似的流。當輸入電壓超出指定范圍時，調制器輸出會出現非線性行為，量化噪聲增加。當輸入小于或等于 - 320mV（AMC1303x05x為 - 64mV）或大于或等于320mV（AMC1303x05x為64mV）時，調制器輸出會被削波，但AMC1303會每128個時鐘周期生成一個1（輸入為負滿量程時）或0，以指示設備正常工作。
5. 曼徹斯特編碼功能：AMC1303Ex提供符合IEEE 802.3的曼徹斯特編碼功能，它每個比特至少產生一個轉換，支持從位流中恢復時鐘信號，并且曼徹斯特編碼的位流不含直流分量，通過異或（XOR）邏輯運算將時鐘和數據信息結合在一起。

（三）設備功能模式

1. 故障安全輸出：當高側電源電壓AVDD缺失時，ΔΣ調制器的輸出不確定，可能導致系統故障。因此，AMC1303實現了故障安全輸出功能，在AVDD缺失時，將DOUT和CLKOUT輸出（僅AMC1303Mx）拉至穩態邏輯1。同樣，當輸入的共模電壓達到或超過指定的共模過電壓檢測電平VCMov時，AMC1303會在DOUT輸出端產生一個穩態邏輯1的位流。在這兩種情況下，DOUT輸出在共模輸入電壓超出或AVDD缺失事件發生后兩個時鐘周期會變為穩態邏輯1，而AMC1303Mx的CLKOUT引腳需要另外256個時鐘周期保持在邏輯1。
2. 滿量程輸入時的輸出行為：當輸入信號超過削波電壓（|VIN| ≥ |V Clipping|）時，AMC1303會根據所感測信號的實際極性，每128個時鐘周期產生一個0或1。這樣，在系統層面就可以區分AVDD缺失和滿量程輸入信號的情況。

四、應用設計與實現

（一）數字濾波器的使用

調制器生成的位流需要通過數字濾波器處理，以獲得類似于傳統模數轉換器（ADC）轉換結果的數字字。一種簡單且硬件成本低的濾波器是sinc3型濾波器，它在二階調制器中以最小的硬件規模（數字門數量）提供最佳的輸出性能。本文檔中的所有特性表征都是使用過采樣比（OSR）為256、輸出字大小為16位的sinc3濾波器完成的。有效位數（ENOB）常用于比較ADC和ΔΣ調制器的性能，可以通過特定的公式從SINAD計算得出。在FPGA中實現sinc3濾波器的示例代碼可以在相關的應用筆記中找到。

（二）典型應用案例

1. 變頻器應用

隔離式ΔΣ調制器在變頻器設計中應用廣泛，因為其具有出色的交流和直流性能。在工業電機驅動、光伏逆變器、不間斷電源（UPS）等工業應用中，變頻器是關鍵部分。以工業電機驅動為例，使用分流電阻（RSHUNT）進行電流傳感，根據系統設計，可以感測所有三個或僅兩個電機相電流。AMC1303Mx和AMC1303Ex在變頻器應用中的簡化原理圖有所不同，AMC1303Ex的曼徹斯特編碼位流輸出可以最小化電源板和控制板之間的布線工作，并且允許在電源板上本地生成時鐘，而無需調整每個DOUT連接的傳播延遲時間以滿足微控制器的建立和保持時間要求。在設計時，需要注意一些參數，如高側電源電壓為3.3V或5V，低側電源電壓為3.3V或5V，對于線性響應，AMC1303x25x的分流電阻上的電壓降最大為±250mV，AMC1303x05x最大為±50mV。在詳細設計過程中，AMC1303的高側電源（AVDD）通常從上部柵極驅動器的電源中獲取，浮動接地參考（AGND）來自分流電阻連接到AMC1303負輸入（AINN）的一端。選擇分流電阻時，要確保標稱電流范圍內的電壓降不超過推薦的差分輸入電壓范圍，并且最大允許過電流引起的電壓降不超過導致削波輸出的輸入電壓。此外，由于AMC1303的模擬前端輸入帶寬在電氣特性表中已規定，通常不需要在ΔΣ調制器前使用典型的RC濾波器來改善信號路徑的信噪比。對于調制器輸出位流濾波，可以使用TI的TMS320F2807x系列低成本微控制器（MCUs）或TMS320F2837x系列雙核MCUs，它們支持多達八個通道的專用硬連線濾波器結構，為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，另一條為過電流檢測提供快速響應路徑。在電機控制應用中，過電流檢測需要非常快的響應時間。由于sinc3濾波器在調制器輸入出現階躍信號時需要三次數據更新才能完全穩定，因此對于過電流保護，具有較低OSR的sinc2濾波器是更好的選擇。

2. 隔離電壓傳感

AMC1303雖然針對使用低電阻分流器的電流傳感應用進行了優化，但也適用于隔離電壓傳感應用，不過需要考慮輸入偏置電流的影響。在高壓傳感應用中，通常使用高值電阻（R1和R2）作為分壓器，傳感電阻R3的阻值根據AMC1303的輸入電壓范圍選擇。R3和AMC1303x25x的差分輸入電阻會形成一個分壓器，導致額外的增益誤差，可以通過特定公式估算總增益誤差。在設計時，高側和低側電源電壓一般為3.3V或5V，AMC1303x25x的電阻R3上的電壓降最大為 + 250mV（線性響應）。集成差分放大器的輸出內部偏置到1.9V的共模電壓，會導致通過電阻網絡R4和R5（或R4'和R5'）的偏置電流，該電流會產生額外的偏移誤差，且該誤差取決于輸入信號的實際共模幅度，因此初始系統偏移校準無法完全消除其影響。在對精度要求較高的系統中，可以在AMC1303的負輸入（AINN）處使用一個與分流電阻R3值相等的串聯電阻（R3'）來消除偏置電流的影響，但這個額外的串聯電阻會影響電路的增益誤差，可以通過特定公式計算其影響。

（三）電源供應建議

在典型的變頻器應用中，AMC1303的高側電源（AVDD）直接從上部柵極驅動器的浮動電源獲取。為了降低系統成本，可以使用齊納二極管將電壓限制在5V或3.3V（±10%），也可以使用低成本、低壓差穩壓器（LDO），如LM317 - N，來調整電源電壓并減少電源節點上的噪聲。同時，使用0.1μF的低ESR去耦電容對該電源路徑進行濾波，并將其盡可能靠近AMC1303的AVDD引腳放置，還可以額外使用一個2.2μF至10μF的電容。浮動接地參考（AGND）來自分流電阻連接到設備負輸入（AINN）的一端，如果使用四引腳分流器，將設備的輸入連接到分流器的感測端子，并將接地連接作為單獨的走線連接到分流器，以減少偏移并提高精度。對于控制器側的數字電源去耦，使用0.1μF和2.2μF的電容，并將其盡可能靠近AMC1303的DVDD引腳放置。

（四）布局設計

1. 布局指南：在布局時，要將去耦電容盡可能靠近AMC1303放置，同時將分流電阻和抗混疊濾波器組件盡可能靠近AMC1303的AINP和AINN輸入放置，并保持兩個連接的布局對稱。此外，要確保隔離區域有足夠的間隙面積，避免任何導電材料。
2. 布局示例：文檔中給出了具體的布局示例，展示了各個組件的放置位置和連接方式，為工程師的實際設計提供了參考。

五、總結

AMC1303x系列高精度隔離式Δ - Σ調制器憑借其豐富的特性和出色的性能，在工業控制、電源管理等領域具有廣闊的應用前景。在實際設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇型號、設計電路、配置濾波器，并注意電源供應和布局等方面的問題，以充分發揮該系列調制器的優勢，實現高精度、可靠的信號處理和隔離。大家在使用AMC1303x的過程中，有沒有遇到過一些特別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。