AMC3336 - Q1：高精度隔離式Δ - Σ調(diào)制器的設(shè)計與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，對于高精度、高可靠性的隔離電壓測量需求日益增長，尤其在汽車、工業(yè)等對安全性和性能要求極高的領(lǐng)域。德州儀器（TI）的AMC3336 - Q1高精度、±1 - V輸入、帶集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的增強型隔離式Δ - Σ調(diào)制器，為這些應(yīng)用場景提供了出色的解決方案。本文將深入探討AMC3336 - Q1的特性、應(yīng)用以及設(shè)計要點，幫助電子工程師更好地理解和使用這款器件。

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特性亮點

汽車級認(rèn)證

AMC3336 - Q1通過了AEC - Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，能夠適應(yīng)汽車復(fù)雜多變的工作環(huán)境，為汽車電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了保障。

電源靈活性

支持3.3 - V或5 - V單電源供電，并且集成了DC/DC轉(zhuǎn)換器，這種設(shè)計使得器件在單電源條件下就能為高端側(cè)供電，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，同時也適用于對空間要求苛刻的應(yīng)用場景。

高精度測量

• 輸入特性：輸入電壓范圍為±1 - V，輸入電阻典型值為1 GΩ，低直流誤差，包括最大±0.3 mV的失調(diào)誤差、最大±4 μV/°C的失調(diào)漂移、最大±0.2%的增益誤差和最大±40 ppm/°C的增益漂移，能夠在寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的電壓測量。
• 高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）：CMTI最小值為90 kV/μs，這一特性使得器件在存在高共模瞬態(tài)干擾的環(huán)境中仍能穩(wěn)定工作，保證了測量的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)診斷與低電磁干擾

具備系統(tǒng)級診斷功能，可通過監(jiān)測DIAG引腳來確認(rèn)器件是否正常工作以及輸出數(shù)據(jù)是否有效。同時，該器件滿足CISPR - 11和CISPR - 25標(biāo)準(zhǔn)，具有低電磁干擾特性，減少了對周圍電子設(shè)備的干擾。

安全認(rèn)證

獲得了多項安全相關(guān)認(rèn)證，如根據(jù)DIN VDE V 0884 - 11標(biāo)準(zhǔn)的6000 - V（峰值）增強型隔離和根據(jù)UL1577標(biāo)準(zhǔn)的4250 - V RMS一分鐘隔離，為系統(tǒng)的安全運行提供了可靠保障。

應(yīng)用領(lǐng)域

AMC3336 - Q1主要應(yīng)用于混合動力電動汽車（HEV）/電動汽車（EV）的相關(guān)系統(tǒng)中，包括車載充電器（OBC）、DC/DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器等，用于隔離電壓的精確測量。在這些應(yīng)用中，高精度的電壓測量對于系統(tǒng)的性能和安全性至關(guān)重要，而AMC3336 - Q1的特性正好滿足了這些需求。

詳細(xì)描述

工作原理

AMC3336 - Q1是一款全差分、高精度的隔離式調(diào)制器，其輸入級驅(qū)動一個二階Δ - Σ調(diào)制器，將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字位流，通過隔離屏障傳輸?shù)降投藗?cè)。信號路徑采用雙電容二氧化硅（SiO?）絕緣屏障進(jìn)行隔離，而電源隔離則使用片上變壓器，以薄膜聚合物作為絕緣材料。

功能模塊

• 模擬輸入：高阻抗輸入級為二階開關(guān)電容前饋Δ - Σ調(diào)制器提供信號。為了降低失調(diào)和失調(diào)漂移，輸入緩沖器采用斬波穩(wěn)定技術(shù)，斬波頻率設(shè)置為fCLKIN / 32。在設(shè)計時，需要注意模擬輸入信號的范圍，避免超出絕對最大額定值和推薦工作條件范圍，以確保器件的線性度和噪聲性能。
• 調(diào)制器：將模擬信號轉(zhuǎn)換為位流，通過隔離屏障傳輸。由于調(diào)制器會將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻，因此需要在器件輸出端使用低通數(shù)字濾波器來提高整體性能。TI的C2000?和Sitara?微控制器系列提供了適用于AMC3336 - Q1的可編程、硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，即sigma - delta濾波器模塊（SDFM），也可以使用FPGA或CPLD來實現(xiàn)濾波器。
• 隔離通道信號傳輸：采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，將調(diào)制器輸出的位流通過基于SiO?的隔離屏障傳輸。內(nèi)部使用的載波標(biāo)稱頻率為480 MHz，通過發(fā)送或不發(fā)送信號來表示數(shù)字1和0。
• 數(shù)字輸出：輸出的數(shù)字位流時間平均值與模擬輸入電壓成正比。在不同的輸入電壓下，輸出位流中1的密度不同。當(dāng)輸入電壓超出線性范圍時，調(diào)制器輸出會出現(xiàn)非線性行為，并且在輸入達(dá)到滿量程時，會每隔128個時鐘周期輸出一個1或0，以指示器件正常工作。
• 隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器：集成了完整的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括低端側(cè)的低壓差穩(wěn)壓器（LDO）、低端側(cè)全橋逆變器和驅(qū)動器、層壓式空心變壓器、高端側(cè)全橋整流器和高端側(cè)LDO。該轉(zhuǎn)換器采用擴頻時鐘生成技術(shù)，減少了電磁輻射的頻譜密度，并且諧振頻率與Δ - Σ調(diào)制器同步，以減少對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。高端側(cè)LDO可以為外部輔助電路提供有限的電流，但在高溫環(huán)境下需要注意電流降額。
• 診斷輸出：通過監(jiān)測開漏DIAG引腳，可以確認(rèn)器件是否正常工作以及輸出數(shù)據(jù)是否有效。在電源上電時，DIAG引腳會被拉低，直到高端側(cè)電源穩(wěn)定并且調(diào)制器開始輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)高端側(cè)電源欠壓、低側(cè)未收到高端側(cè)數(shù)據(jù)等情況時，DIAG引腳會被拉低，同時調(diào)制器輸出恒定的邏輯0位流。

器件功能模式

數(shù)字接口（包括開漏DIAG引腳）在VDD上升超過VDDPOR閾值時開始工作，而模擬功能（包括高端側(cè)電路）在VDD上升超過模擬欠壓鎖定閾值VDDUV時啟用。在電源關(guān)斷時，模擬功能在VDD下降到VDDUV（下降沿）電壓以下時禁用，數(shù)字接口在VDD下降到VDDPOR（下降沿）電壓以下時停止工作。

設(shè)計要點

數(shù)字濾波器使用

調(diào)制器輸出的位流需要通過數(shù)字濾波器處理，以獲得類似于傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的轉(zhuǎn)換結(jié)果。推薦使用sinc3型濾波器，它在二階調(diào)制器中能夠以最小的硬件尺寸提供最佳的輸出性能。本文檔中的所有特性表征均使用過采樣比（OSR）為256、輸出字寬為16位的sinc3濾波器。

典型應(yīng)用設(shè)計

以車載充電器應(yīng)用為例，介紹了AMC3336 - Q1的具體設(shè)計步驟。

• 電阻分壓器設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)輸入電壓、最大電阻工作電壓、電壓降等要求，計算電阻分壓器的參數(shù)。例如，在230 - V RMS輸入電壓的情況下，通過100 - μA交叉電流要求和最大允許電壓降，確定電阻分壓器的總阻抗和單位電阻值。
• 輸入濾波器設(shè)計：為了提高信號路徑的信噪比，建議在隔離放大器前放置RC濾波器。濾波器的截止頻率應(yīng)至少比內(nèi)部Δ - Σ調(diào)制器的采樣頻率（fCLKIN）低一個數(shù)量級，并且濾波器的直流阻抗不應(yīng)在模擬輸入線上產(chǎn)生顯著的電壓降，同時模擬輸入的源阻抗應(yīng)相等。在大多數(shù)電壓測量應(yīng)用中，使用單個電容即可過濾輸入信號。
• 位流濾波：推薦使用TI的C2000?或Sitara?微控制器系列進(jìn)行調(diào)制器輸出位流的濾波。這些微控制器支持多達(dá)八個通道的專用硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，提供兩條濾波路徑，分別用于控制回路的高精度結(jié)果和過流檢測的快速響應(yīng)。此外，還可以使用TI提供的delta - sigma調(diào)制器濾波器計算器來輔助濾波器設(shè)計和選擇合適的OSR和濾波器階數(shù)。

電源供應(yīng)建議

AMC3336 - Q1由低端側(cè)電源（VDD）供電，推薦在VDD引腳附近放置低等效串聯(lián)電阻（ESR）的1 - nF和1 - μF電容進(jìn)行去耦。對于DC/DC轉(zhuǎn)換器的低端側(cè)和高端側(cè)，也需要分別使用合適的電容進(jìn)行去耦。同時，在選擇電容時，需要考慮其在實際應(yīng)用中的直流偏置條件下的有效電容值。

布局設(shè)計

布局時，應(yīng)將去耦電容盡可能靠近AMC3336 - Q1的電源引腳，以減少電源噪聲。將感測電阻靠近器件的INP和INN輸入，并保持兩者連接布局對稱，有助于提高測量精度。此外，還需要注意隔離區(qū)域的爬電距離和電氣間隙，以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

總結(jié)

AMC3336 - Q1作為一款高性能的隔離式Δ - Σ調(diào)制器，憑借其高精度測量、集成DC/DC轉(zhuǎn)換器、豐富的診斷功能和安全認(rèn)證等特性，為汽車和工業(yè)領(lǐng)域的隔離電壓測量應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在設(shè)計過程中，電子工程師需要充分考慮其特性和應(yīng)用要求，合理選擇數(shù)字濾波器、設(shè)計電源供應(yīng)和布局，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用AMC3336 - Q1的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。