AMC131M03-Q1汽車(chē)級(jí)隔離式ΔΣ ADC技術(shù)解析與應(yīng)用指南
Texas Instruments AMC131M03/AMC131M03-Q1 24位隔離式Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 是一款精密三通道數(shù)據(jù)電源隔離式24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AMC131M03AMC131M03/AMC131M03-Q1具有針對(duì)電能測(cè)量的寬動(dòng)態(tài)范圍和低功耗特性，適用于電力計(jì)量和電表應(yīng)用。該器件的輸入阻抗高，因此其ADC輸入可直接連接分流電流傳感器或電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。
數(shù)據(jù)手冊(cè)：*附件：AMC131M03-Q1 數(shù)據(jù)表.pdf
AMC131M03AMC131M03/AMC131M03-Q1具有支持從器件低側(cè)單電源運(yùn)行的全集成隔離式直流-直流轉(zhuǎn)換器。增強(qiáng)型電容隔離柵通過(guò)了UL1577和VDE 0884-17認(rèn)證。該隔離柵將系統(tǒng)各部分隔開(kāi)，保護(hù)低壓部分免受損壞。它工作在不同共模電壓水平上，使AMC131M03AMC131M03/AMC131M03-Q1非常適合用于采用分流電流傳感器的多相電表應(yīng)用。Texas Instruments AMC131M03-Q1器件符合汽車(chē)應(yīng)用類(lèi)AEC-Q100認(rèn)證。
特性
- 三個(gè)具有差分或單端輸入的隔離式同步采樣ΔΣ ADC
- 帶集成直流-直流轉(zhuǎn)換器，支持單電源運(yùn)行（3.3V或5V）
- 低EMI，符合CISPR-11和CISPR-25標(biāo)準(zhǔn)
- 可編程數(shù)據(jù)速率高達(dá)64kSPS
- 可編程增益高達(dá)128
- 低漂移內(nèi)部電壓參考
- 內(nèi)部溫度傳感器
- 4線SPI接口帶循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)
- 安全相關(guān)認(rèn)證
- 7070V
PEAK增強(qiáng)隔離符合DIN EN IEC 60747-17（VDE 0884-17） - 5000V
RMS隔離1分鐘，符合UL1577
- 7070V
- 20引腳寬體SOIC封裝
- 工作溫度范圍：-40°C至+125°C
功能框圖
AMC131M03-Q1汽車(chē)級(jí)隔離式ΔΣ ADC技術(shù)解析與應(yīng)用指南
一、產(chǎn)品概述與技術(shù)亮點(diǎn)
AMC131M03-Q1是德州儀器(TI)推出的汽車(chē)級(jí)三通道隔離式ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，集成了64kSPS同步采樣、24位精度和DC/DC隔離電源，專為嚴(yán)苛的汽車(chē)電子環(huán)境設(shè)計(jì)。該器件通過(guò)AEC-Q100 Grade 1認(rèn)證(-40°C至+125°C)，具備7070-VPEAK增強(qiáng)隔離等級(jí)(DIN EN IEC 60747-17)和5000-VRMS/1分鐘隔離能力(UL1577)。
?核心技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)?：
- ?三通道同步采樣架構(gòu)?：實(shí)現(xiàn)精確的相位對(duì)齊測(cè)量，適合多參數(shù)監(jiān)控場(chǎng)景
- ?集成隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器?：?jiǎn)?.3V/5V供電簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，內(nèi)置LDO和負(fù)電荷泵支持±1.3V輸入范圍
- ? 可編程增益放大器(PGA) ?：提供1-128倍增益(二進(jìn)制步進(jìn))，輸入阻抗最高達(dá)1MΩ
- ?雙功率模式?：高分辨率模式(19.5mA)和低功耗模式(16mA)靈活切換
- ?EMI優(yōu)化設(shè)計(jì)?：滿足CISPR-11和CISPR-25標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置擴(kuò)頻時(shí)鐘技術(shù)
二、關(guān)鍵參數(shù)與性能特性
電氣特性
- ?分辨率?：24位無(wú)失碼
- ?采樣率?：最高64kSPS(HR模式)/32kSPS(LP模式)
- ?動(dòng)態(tài)范圍?：98dB(增益=1時(shí))
- ? 積分非線性(INL) ?：±6ppm FSR
- ? 共模抑制比(CMRR) ?：110dB(50/60Hz)
- ?功耗?：64mW(HR模式)/53mW(LP模式)
安全認(rèn)證
- ?VDE?：DIN EN IEC 60747-17增強(qiáng)絕緣認(rèn)證
- ?UL?：1577組件認(rèn)可(文件號(hào)E181974)
- ?AEC-Q100?：Grade 1汽車(chē)級(jí)認(rèn)證
三、系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊
3.1 信號(hào)鏈設(shè)計(jì)
器件采用差分輸入結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道包含：
- ?輸入多路復(fù)用器?：支持模擬輸入、GND短路、DC/AC測(cè)試信號(hào)選擇
- ?可編程增益放大器?：8級(jí)增益設(shè)置(1-128)，增益>4時(shí)自動(dòng)啟用輸入預(yù)充電緩沖
- ?ΔΣ調(diào)制器?：采用OOK調(diào)制通過(guò)SiO?電容隔離屏障傳輸
- ?數(shù)字濾波器?：sinc3+sinc1組合濾波器，OSR可配置(64-16384)
3.2 隔離電源系統(tǒng)
創(chuàng)新性地集成完整隔離電源方案：
- ?初級(jí)側(cè)?：3.0-5.5V輸入，內(nèi)置LDO穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電壓
- ?變壓器?：層壓空芯設(shè)計(jì)，具有高磁場(chǎng)抗擾度
- ?次級(jí)側(cè)?：全橋整流+LDO，輸出2.6-3.2V(HLDO_OUT)
- ?驅(qū)動(dòng)能力?：可額外提供1mA輔助電路電流
四、典型應(yīng)用設(shè)計(jì)指南
4.1 電池管理系統(tǒng)(BMS)實(shí)現(xiàn)
如圖9-4所示典型應(yīng)用，器件可精確測(cè)量：
- ?電池組電壓?：通過(guò)高壓電阻分壓器(RH/RL)
- ?接觸器壓降?：監(jiān)測(cè)S1-S6開(kāi)關(guān)狀態(tài)
- ?充電端口電壓?：CHARGE+/CHARGE-差分檢測(cè)
?設(shè)計(jì)要點(diǎn)?：
- 電阻分壓比計(jì)算：VIN/VCHARGE+_MAX = RL/(RL+RH)
- 建議總阻值(RL+RH)>1MΩ以減少漏電流
- 高壓側(cè)電阻應(yīng)采用多串聯(lián)結(jié)構(gòu)提升可靠性
4.2 抗混疊濾波設(shè)計(jì)
推薦采用圖9-1所示單階RC濾波：
- ?元件值?：50Ω電阻+4.7nF電容
- ?布局要求?：盡可能靠近ADC輸入引腳
- ?C0G電容?：優(yōu)先選用溫度穩(wěn)定性好的材質(zhì)
五、寄存器配置與數(shù)字接口
5.1 SPI通信規(guī)范
- ?工作模式?：CPOL=0, CPHA=1
- ?幀結(jié)構(gòu)?：5字基礎(chǔ)幀(命令+CRC+3數(shù)據(jù)字)
- ?數(shù)據(jù)格式?：可配置16/24/32位字長(zhǎng)
- ?CRC保護(hù)?：支持CCITT和ANSI兩種多項(xiàng)式
5.2 關(guān)鍵寄存器配置
- ? CLOCK寄存器(03h) ?：
- OSR[2:0]：設(shè)置過(guò)采樣率(1024=4kSPS@8.192MHz)
- PWR[1:0]：選擇功率模式(10b=高分辨率)
- ? GAIN寄存器(04h) ?：
- PGAGAINx[2:0]：獨(dú)立設(shè)置各通道增益(000b=1倍)
- ?CHx_CFG寄存器?：
- PHASEx[9:0]：-512到511個(gè)調(diào)制器時(shí)鐘的相位校準(zhǔn)
- MUXx[1:0]：選擇輸入源(00b=模擬輸入)
六、PCB布局與EMC設(shè)計(jì)
6.1 電源去耦方案
如圖9-6所示分層去耦策略：
- ?DVDD?：1nF(C15)+1μF(C16)組合
- ?DCDC_CAP?：100nF陶瓷電容(C17)
- ?HLDO_OUT?：1nF(C11)+100nF(C13)陣列
6.2 輻射優(yōu)化措施
- ?鐵氧體磁珠?：DCDC_OUT與HLDO_IN間串聯(lián)(F1)
- ?地平面分割?：高/低壓側(cè)地獨(dú)立布線
- ?時(shí)鐘處理?：源端串聯(lián)電阻消除過(guò)沖
測(cè)試數(shù)據(jù)顯示(圖9-5)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后輻射值低于CISPR 25 Class 5限值10dB以上。
七、汽車(chē)功能安全考量
7.1 故障檢測(cè)機(jī)制
- ?SEC_FAIL標(biāo)志?：DC/DC轉(zhuǎn)換器故障指示
- ?寄存器CRC?：覆蓋02h-31h地址空間
- ?熔絲奇偶校驗(yàn)?：內(nèi)置存儲(chǔ)器完整性檢查
7.2 失效模式分析
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