AMC1304x-Q1：高精度隔離式ΔΣ調(diào)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(hào)采集與處理是許多項(xiàng)目的關(guān)鍵需求。而在汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域，對(duì)于信號(hào)處理設(shè)備的精度、隔離性能以及穩(wěn)定性都有著極高的要求。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（TI）推出的AMC1304x-Q1系列高精度、強(qiáng)化隔離式ΔΣ調(diào)制器。

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產(chǎn)品概述

AMC1304-Q1是一款專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的精密ΔΣ調(diào)制器。它的輸出與輸入電路通過(guò)電容式雙隔離屏障分隔，這種隔離屏障具有很強(qiáng)的抗磁干擾能力，并且經(jīng)過(guò)認(rèn)證，能夠根據(jù)DIN V VDE V 0884 - 10、UL1577和CSA標(biāo)準(zhǔn)提供高達(dá)7000 VPEAK的強(qiáng)化隔離。搭配隔離電源使用時(shí)，該器件可以有效防止高共模電壓線上的噪聲電流進(jìn)入本地系統(tǒng)接地，從而避免對(duì)低壓電路造成干擾或損壞。

這個(gè)系列包含了AMC1304L05-Q1、AMC1304L25-Q1、AMC1304M05-Q1和AMC1304M25-Q1等不同型號(hào)，它們?cè)谳斎腚妷悍秶蛿?shù)字輸出接口類型上有所差異，能夠滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

突出特性

汽車級(jí)認(rèn)證

該系列產(chǎn)品符合AEC - Q100標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)汽車等惡劣環(huán)境下的溫度變化。
• 良好的ESD防護(hù)：HBM ESD分類等級(jí)為2，CDM ESD分類等級(jí)為C6，有效保護(hù)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(xiàng)，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活選擇。
• 數(shù)字接口類型：具備CMOS或LVDS數(shù)字接口選項(xiàng)，方便與不同類型的控制器進(jìn)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(hào)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(shí)的穩(wěn)定性。
• 低增益誤差：最大增益誤差為 ± 0.2%或 ± 0.3%，提高了信號(hào)處理的準(zhǔn)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(wěn)定。

安全認(rèn)證

• 強(qiáng)化隔離：根據(jù)DIN V VDE V 0884 - 10標(biāo)準(zhǔn)，提供7000 - (V_{PK})的強(qiáng)化隔離。
• 耐壓測(cè)試：符合UL1577標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受5000 - (V_{RMS})的隔離電壓長(zhǎng)達(dá)1分鐘。

其他特性

• 高瞬態(tài)抗擾度：瞬態(tài)抗擾度最小為15 kV/μs，能夠有效抵抗瞬間的高電壓干擾。
• 強(qiáng)電磁場(chǎng)抗擾度：通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，具有較高的電磁場(chǎng)抗擾能力，可參考應(yīng)用筆記SLLA181A。
• 外部時(shí)鐘輸入：支持5 - 20 MHz的外部時(shí)鐘輸入，方便與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。
• 片上LDO調(diào)節(jié)器：集成18 - V LDO調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)。

應(yīng)用領(lǐng)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(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景包括：

• 牽引逆變器：在電動(dòng)汽車的牽引逆變器中，精確的電流測(cè)量對(duì)于電機(jī)控制至關(guān)重要。AMC1304x-Q1能夠準(zhǔn)確采集電機(jī)相電流，為逆變器的控制提供可靠的數(shù)據(jù)。
• 車載充電器（OBC）：在車載充電器中，對(duì)充電電流和電壓的精確監(jiān)測(cè)可以確保充電過(guò)程的安全和高效。
• DC - DC轉(zhuǎn)換器：在DC - DC轉(zhuǎn)換器中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入和輸出電流、電壓，有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換和控制。
• 電池管理系統(tǒng)（BMS）：在電池管理系統(tǒng)中，精確的電池電流和電壓測(cè)量對(duì)于電池的充放電管理、健康狀態(tài)評(píng)估等都起著關(guān)鍵作用。

工作原理

模擬輸入

AMC1304-Q1的前端電路包含一個(gè)差分放大器和采樣級(jí)，后面跟著一個(gè)ΔΣ調(diào)制器。對(duì)于輸入電壓范圍為 ± 250 mV的器件，差分放大器的增益通過(guò)內(nèi)部精密電阻設(shè)置為4；對(duì)于輸入電壓范圍為 ± 50 mV的器件，增益設(shè)置為20。這樣的設(shè)計(jì)使得器件具有5 kΩ（AMC1304x05 - Q1）或25 kΩ（AMC1304x25 - Q1）的差分輸入阻抗。

在設(shè)計(jì)中，如果使用高阻抗信號(hào)源，需要考慮器件的輸入阻抗，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致增益和偏移規(guī)格的下降。此外，差分放大器輸出的內(nèi)部共模電壓引起的輸入偏置電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)實(shí)際幅度相關(guān)的偏移。在對(duì)精度要求較高的系統(tǒng)中，可以參考“隔離電壓傳感”部分的內(nèi)容來(lái)減少這些影響。

調(diào)制器

AMC1304-Q1采用的是二階、開(kāi)關(guān)電容、前饋式ΔΣ調(diào)制器。模擬輸入電壓 (V{IN }) 和1位數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出 (V{5}) 進(jìn)行差分運(yùn)算，得到模擬電壓 (V{1}) 輸入到第一積分器級(jí)。第一積分器的輸出再輸入到第二積分器級(jí)，得到輸出電壓 (V{3}) ，然后與輸入信號(hào) (V{IN }) 和第一積分器的輸出 (V{2}) 進(jìn)行差分運(yùn)算。根據(jù)所得電壓 (V{4}) 的極性，比較器的輸出會(huì)發(fā)生變化，1位DAC會(huì)在接下來(lái)的時(shí)鐘脈沖響應(yīng)，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(diào)制器將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻段，因此需要在器件輸出端使用低通數(shù)字濾波器來(lái)提高整體性能。該濾波器還用于將高采樣率的1位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為低速率的高位數(shù)據(jù)字（抽?。?。TI的TMS320F2807x和TMS320F2837x微控制器系列提供了一個(gè)名為sigma - delta濾波器模塊（SDFM）的可編程、硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，非常適合與AMC1304 - Q1系列配合使用。當(dāng)然，也可以使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器。

數(shù)字輸出

理想情況下，0 V的差分輸入信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的1和0的數(shù)據(jù)流。對(duì)于AMC1304x25 - Q1，250 mV的差分輸入會(huì)產(chǎn)生一個(gè)占空比為90%的數(shù)據(jù)流；對(duì)于AMC1304x05 - Q1，50 mV的差分輸入會(huì)產(chǎn)生同樣占空比為90%的數(shù)據(jù)流。而 - 250 mV（AMC1304x05 - Q1為 - 50 mV）的差分輸入會(huì)產(chǎn)生一個(gè)占空比為10%的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)定。

如果輸入電壓超出這些范圍，當(dāng)量化噪聲增加時(shí)，調(diào)制器的輸出會(huì)呈現(xiàn)非線性行為。當(dāng)輸入小于或等于 - 312.5 mV（AMC1304x05 - Q1為 - 62.5 mV）時(shí)，調(diào)制器輸出會(huì)被鉗位為全0；當(dāng)輸入大于或等于312.5 mV（AMC1304x05 - Q1為62.5 mV）時(shí)，輸出會(huì)被鉗位為全1。不過(guò)，在這種情況下，AMC1304 - Q1會(huì)每128個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生一個(gè)單一的1（輸入為負(fù)滿量程時(shí)）或0，以指示器件正常工作。

關(guān)鍵參數(shù)與規(guī)格

絕對(duì)最大額定值

在使用AMC1304x - Q1時(shí)，需要注意其絕對(duì)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(shù)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(jié)溫TJ最大為150°C，儲(chǔ)存溫度Tstg范圍為 - 65至150°C。

ESD評(píng)級(jí)

該系列產(chǎn)品具有良好的ESD防護(hù)能力，人體模型（HBM）靜電放電評(píng)級(jí)為 ± 2500 V，帶電設(shè)備模型（CDM）評(píng)級(jí)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(shù)字（控制器側(cè)）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(huán)境溫度范圍（TA）： - 40至125°C。

電氣特性

不同型號(hào)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(shí)，它們?cè)谛盘?hào)噪聲比（SNR）、信號(hào)噪聲加失真比（SINAD）、總諧波失真（THD）、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）等方面也有各自的性能指標(biāo)。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

數(shù)字濾波器的使用

調(diào)制器產(chǎn)生的位流需要通過(guò)數(shù)字濾波器進(jìn)行處理，以獲得類似于傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字字。一個(gè)簡(jiǎn)單且硬件成本較低的濾波器是sinc3型濾波器，其傳遞函數(shù)為： [H(z)=left(frac{1 - z^{-OSR}}{1 - z^{-1}}right)^{3}] 其中，OSR為過(guò)采樣率。在本數(shù)據(jù)手冊(cè)中，所有的特性表征都是在過(guò)采樣率為256、輸出字長(zhǎng)為16位的sinc3濾波器下進(jìn)行的。

有效位數(shù)（ENOB）常用于比較ADC和ΔΣ調(diào)制器的性能，可以通過(guò)以下公式從SNR計(jì)算得到： [NR = 1.76 dB + 6.02 dB * ENOB] 在實(shí)際應(yīng)用中，可以參考“在電機(jī)控制應(yīng)用中結(jié)合ADS1202和FPGA數(shù)字濾波器進(jìn)行電流測(cè)量”應(yīng)用筆記（SBAA094）中關(guān)于在FPGA中實(shí)現(xiàn)sinc3濾波器的示例代碼。

典型應(yīng)用示例

牽引逆變器應(yīng)用

在新一代牽引逆變器設(shè)計(jì)中，隔離式ΔΣ調(diào)制器因其出色的交直流性能而被廣泛應(yīng)用。牽引逆變器是電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵部件，AMC1304 - Q1的輸入結(jié)構(gòu)針對(duì)低阻抗分流電阻進(jìn)行了優(yōu)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(yīng)用中，當(dāng)逆變器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分時(shí)，電機(jī)相電流通過(guò)分流電阻（RSHUNT）進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可能會(huì)對(duì)所有三相或僅兩相電流進(jìn)行傳感。此外，還可以使用一個(gè)額外的AMC1304 - Q1來(lái)支持直流母線的隔離電壓傳感，不過(guò)在使用高阻抗電阻分壓器時(shí)，需要注意測(cè)量電阻的阻值可能會(huì)影響測(cè)量性能。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常不需要在ΔΣ調(diào)制器前端使用RC濾波器來(lái)提高信號(hào)路徑的信噪比，因?yàn)锳MC1304 - Q1的模擬前端輸入帶寬被設(shè)計(jì)限制在1 MHz。對(duì)于調(diào)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(dá)八個(gè)通道的專用硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道提供兩條濾波路徑，一條為控制回路提供高精度結(jié)果，另一條為過(guò)流檢測(cè)提供快速響應(yīng)路徑，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

在電機(jī)控制應(yīng)用中，過(guò)流檢測(cè)需要非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間。對(duì)于階躍信號(hào)輸入，濾波器的完全建立時(shí)間取決于其階數(shù)，例如sinc3濾波器需要三個(gè)數(shù)據(jù)更新周期才能完全建立（(f{DATA } = f{CLK } / OSR)）。因此，對(duì)于過(guò)流保護(hù)，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(duì)使用低阻抗分流器的電流傳感應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)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(yīng)用。

在高電壓傳感應(yīng)用中，通常使用高阻抗電阻（R1和R2）作為分壓器，主導(dǎo)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(huì)形成一個(gè)分壓器，導(dǎo)致額外的增益誤差。在假設(shè)R1、R2和 (R{IN}) 的阻值遠(yuǎn)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(gè)增益誤差可以在初始系統(tǒng)級(jí)增益校準(zhǔn)過(guò)程中輕松最小化。

此外，集成差分放大器的輸出內(nèi)部偏置到2 V的共模電壓，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)偏置電流 (IB) 通過(guò)用于設(shè)置放大器增益的電阻網(wǎng)絡(luò)R4和R5（或R4'和R5'）。該電流的取值范圍在電氣特性表中有規(guī)定。這個(gè)偏置電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電阻R3的值有關(guān)的額外偏移誤差。由于該偏置電流的值取決于輸入信號(hào)的實(shí)際共模幅度，初始系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)無(wú)法最小化其影響。因此，在對(duì)精度要求較高的系統(tǒng)中，TI建議在AMC1304 - Q1的負(fù)輸入（AINN）端使用一個(gè)阻值等于分流電阻R3的串聯(lián)電阻（即 (R 3' = R 3)）來(lái)消除偏置電流的影響。不過(guò)，這個(gè)額外的串聯(lián)電阻會(huì)影響電路的增益誤差，其影響可以使用以下公式計(jì)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(yīng)建議

在典型的牽引逆變器應(yīng)用中，AMC1304 - Q1的高端電源（LDOIN）直接來(lái)自上橋驅(qū)動(dòng)的浮動(dòng)電源。為了對(duì)該電源路徑進(jìn)行濾波，推薦使用一個(gè)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(gè)10 - μF的電容。內(nèi)部LDO的輸出需要一個(gè)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(dòng)地參考（AGND）從分流電阻的一端引出，該端連接到器件的負(fù)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(nèi)引腳，AGND連接到分流器的一個(gè)外引腳。

對(duì)于控制器側(cè)的數(shù)字電源去耦，TI建議使用一個(gè)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(gè)1 - 10 μF的額外電容。

布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

布局設(shè)計(jì)對(duì)于AMC1304 - Q1的性能至關(guān)重要。建議將去耦電容盡可能靠近AMC1304 - Q1放置，同時(shí)將其他所需組件合理布局。為了獲得最佳性能，應(yīng)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(duì)稱。

對(duì)于AMC1304Lx - Q1版本，應(yīng)將100 - Ω終端電阻盡可能靠近器件的CLKIN、CLKIN_N輸入放置，以實(shí)現(xiàn)最高的信號(hào)完整性。如果沒(méi)有集成終端電阻，則需要在MCU或?yàn)V波器設(shè)備的LVDS數(shù)據(jù)輸入附近額外放置一個(gè)終端電阻。

總結(jié)

AMC1304x - Q1系列高精度、強(qiáng)化隔離式ΔΣ調(diào)制器以其卓越的性能、豐富的