AMC1203：高精度隔離Delta - Sigma調(diào)制器的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，高精度的電流傳感和信號處理一直是工程師們追求的目標(biāo)。AMC1203作為一款精密的、具有基本隔離功能的Delta - Sigma調(diào)制器，為我們在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)可靠的電流傳感提供了強大的支持。今天，我們就來深入了解一下這款器件。

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一、AMC1203的核心特性

1.1 輸入與供電范圍

AMC1203的線性輸入電壓范圍為±280mV，能夠滿足大多數(shù)低電壓信號傳感的需求。其供電電壓范圍方面，高側(cè)和低側(cè)均為4.5V至5.5V，這種較寬的供電范圍使得它在不同的電源系統(tǒng)中都能穩(wěn)定工作。

1.2 低直流誤差

它具有出色的低直流誤差特性。對于AMC1203型號，偏移誤差最大為±1mV，偏移漂移最大為±5μV/°C，增益誤差最大為±2%，增益漂移最大為±20ppm/°C；而AMC1203B型號的性能更優(yōu)，增益誤差最大為±1%。這些低誤差特性保證了在不同的工作條件下，AMC1203都能提供高精度的測量結(jié)果。

1.3 內(nèi)部時鐘與隔離認(rèn)證

內(nèi)部集成了10MHz的時鐘發(fā)生器，為信號處理提供了穩(wěn)定的時鐘源。同時，它還具備嚴(yán)格的安全相關(guān)認(rèn)證，如符合DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）標(biāo)準(zhǔn)的3500V PEAK基本隔離，以及符合UL1577標(biāo)準(zhǔn)的2500VRMS一分鐘隔離，這使得它在對安全性要求較高的工業(yè)應(yīng)用中能夠可靠運行。

1.4 溫度范圍

其指定的工作溫度范圍為–40°C至+105°C，能夠適應(yīng)較為惡劣的工業(yè)環(huán)境溫度變化。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

AMC1203憑借其高精度、高隔離和低誤差等特性，在多個工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：

• 工業(yè)電機驅(qū)動：在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，精確的電流測量對于電機的控制和保護至關(guān)重要。AMC1203能夠準(zhǔn)確地測量電機電流，為電機的調(diào)速、轉(zhuǎn)矩控制等提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
• 頻率逆變器：在頻率逆變器中，它可以實時監(jiān)測電流變化，確保逆變器的穩(wěn)定運行和高效轉(zhuǎn)換。
• 不間斷電源（UPS）：UPS系統(tǒng)需要對電池充放電電流進行精確控制，AMC1203的高精度特性能夠滿足這一需求，提高UPS系統(tǒng)的可靠性和性能。
• 功率轉(zhuǎn)換電路：在各種功率轉(zhuǎn)換電路中，如DC - DC轉(zhuǎn)換器、AC - DC轉(zhuǎn)換器等，AMC1203可以用于電流監(jiān)測和控制，優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換效率。

三、詳細(xì)描述

3.1 工作原理

AMC1203是一款單通道、二階的CMOS Delta - Sigma調(diào)制器，專為基于分流器的高分辨率電流傳感而設(shè)計。其差分模擬輸入采用開關(guān)電容電路實現(xiàn)，轉(zhuǎn)換器的隔離輸出（DOUT）提供與CLKOUT引腳處內(nèi)部生成的時鐘同步的數(shù)字1和0的數(shù)據(jù)流，該串行輸出的時間平均值與模擬輸入電壓成正比。

調(diào)制器將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻，因此需要在設(shè)備輸出端使用低通數(shù)字濾波器（如Sinc濾波器）來提高信噪比。同時，該濾波器還能將高采樣率的1位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為低速率的高位數(shù)據(jù)字。我們可以使用帶有集成Sigma - Delta濾波器模塊（SDFM）的微控制器（MCU）或現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來實現(xiàn)該濾波器。

3.2 功能模塊

• 模擬輸入：輸入是一個全差分、開關(guān)電容電路，動態(tài)輸入阻抗為28kΩ。模擬輸入范圍經(jīng)過優(yōu)化，可直接適應(yīng)分流電阻上的電壓降。不過，輸入信號有兩個限制條件：一是當(dāng)輸入電壓超過絕對最大額定值表中規(guī)定的輸入范圍時，輸入電流必須限制在10mA以內(nèi)；二是只有當(dāng)差分輸入電壓在線性滿量程范圍（VFSR）和共模輸入電壓范圍（VCM）內(nèi)時，線性度和噪聲性能才有明確的規(guī)定。
• 調(diào)制器：AMC1203采用二階開關(guān)電容Delta - Sigma調(diào)制器。輸入電壓與1位數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出相減，經(jīng)過兩級積分器處理后，與內(nèi)部參考電壓進行比較，根據(jù)比較結(jié)果改變DAC的輸出，使積分器輸出值跟蹤平均輸入值。
• 數(shù)字輸出：不同的差分輸入電壓會產(chǎn)生不同密度的數(shù)字1和0的數(shù)據(jù)流?！?80mV是指定的線性范圍，當(dāng)輸入電壓超出該范圍時，調(diào)制器輸出會出現(xiàn)非線性行為，當(dāng)輸入≤ - 320mV或≥320mV時，輸出會被鉗位。我們可以使用公式 (rho=frac{V{IN}+V{Clipping}}{2times V_{Clipping}}) 來計算輸出位流中1的密度。

3.3 功能模式

AMC1203有三種工作模式：

• 關(guān)閉狀態(tài)（OFF）：當(dāng)設(shè)備的低側(cè)（AVDD）未供電時，設(shè)備無響應(yīng)，CLKOUT和DOUT均為低電平。
• 缺少高側(cè)電源：當(dāng)DVDD供電但AVDD缺失時，設(shè)備輸出恒定的邏輯1或邏輯0的位流。
• 正常運行：當(dāng)AVDD和DVDD在推薦的工作條件范圍內(nèi)時，設(shè)備輸出數(shù)字位流。

四、應(yīng)用與實現(xiàn)

4.1 典型應(yīng)用

以電機驅(qū)動應(yīng)用為例，負(fù)載電流流過外部分流電阻RSHUNT產(chǎn)生的電壓降被AMC1203感應(yīng)。AMC1203對高側(cè)的模擬輸入信號進行數(shù)字化處理，然后將數(shù)據(jù)通過隔離屏障傳輸?shù)降蛡?cè)，并在DOUT引腳輸出數(shù)字位流。高側(cè)電源（AVDD）可以通過電阻（R4）和齊納二極管（D1）從浮動柵極驅(qū)動器電源生成。在CLKOUT和DOUT引腳使用49.9Ω電阻進行線路端接，可提高接收端的信號完整性。

4.2 設(shè)計步驟

• 分流電阻選型：根據(jù)設(shè)備的線性輸入電壓范圍（±280mV）和期望的線性電流傳感范圍（±5.6A），計算分流電阻RSHUNT的值為50mΩ。同時，考慮到峰值功率損耗，應(yīng)選擇標(biāo)稱功率額定值約為2W的分流電阻，以確保在正常工作時不超過額定功率的2/3。
• 輸入濾波器設(shè)計：在隔離調(diào)制器前放置差分RC濾波器（R1，R2，C5），可以提高信號路徑的信噪比。設(shè)計時需滿足濾波器電容（C5）至少為10nF，濾波器截止頻率至少比Delta - Sigma調(diào)制器的采樣頻率（10MHz）低一個數(shù)量級，輸入偏置電流在輸入濾波器的直流阻抗（R1，R2）上不產(chǎn)生顯著電壓降，且從模擬輸入測量的阻抗相等（R1等于R2）。此外，電容C6和C7可選，可提高高頻（>1MHz）下的共模抑制能力。
• 位流濾波：調(diào)制器生成的位流需要經(jīng)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。對于二階調(diào)制器，sinc3型濾波器是一種簡單且性能優(yōu)良的選擇，其傳遞函數(shù)為 (H(z)=(frac{1 - z^{-OSR}}{1 - z^{-1}})^3)。我們可以使用TI的C2000?或Sitara?微控制器系列來實現(xiàn)濾波器，這些系列支持多達(dá)八個通道的專用硬連線濾波器結(jié)構(gòu)，簡化了系統(tǒng)級設(shè)計。

4.3 最佳設(shè)計實踐

• 在設(shè)備輸入（從INP到INN）放置至少10nF的電容，以避免開關(guān)電容輸入級采樣期間輸入電壓下降。
• 設(shè)備上電時，不要讓AMC1203的輸入懸空，否則輸入偏置電流可能會使輸入電壓超出工作共模輸入電壓范圍，導(dǎo)致DOUT永久為高電平。
• 將高側(cè)地（AGND）連接到INN，可以通過硬短路（在分流器處，而不是在設(shè)備引腳處）或電阻路徑連接，以定義輸入共模電壓，但要注意不要超出推薦工作條件表中規(guī)定的輸入共模范圍。

4.4 電源供應(yīng)建議

通常，設(shè)備的高側(cè)電源（AVDD）可以從浮動?xùn)艠O驅(qū)動器電源或隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器生成。AMC1203不需要特定的上電順序，高側(cè)和低側(cè)電源都需要使用低ESR的100nF電容和1μF電容進行去耦，并且這些電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。在選擇電容時，要考慮其在實際應(yīng)用中的直流偏置條件下的有效電容，多層陶瓷電容（MLCC）在實際應(yīng)用中可能只表現(xiàn)出標(biāo)稱電容的一部分。

4.5 布局要點

• 布局準(zhǔn)則：將去耦電容盡可能靠近AMC1203的電源引腳放置，同時將分流電阻靠近設(shè)備輸入引腳（INN和INP），以獲得最佳性能。
• 布局示例：參考文檔中提供的布局示例，合理安排各個組件的位置，確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

五、總結(jié)

AMC1203作為一款高性能的隔離Delta - Sigma調(diào)制器，在工業(yè)電流傳感領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢。其高精度、低誤差、高隔離和寬溫度范圍等特性，使其能夠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中可靠運行。通過合理的設(shè)計和布局，我們可以充分發(fā)揮AMC1203的性能，為工業(yè)應(yīng)用提供更加精確和可靠的電流測量解決方案。 在實際設(shè)計過程中，你是否遇到過類似高精度傳感器的應(yīng)用挑戰(zhàn)？你是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。