Перейти к содержанию

Изолированный усилитель

Чтобы измерить ток в силовой цепи под сотнями вольт, напряжение с шунта нужно передать на сторону микроконтроллера, не соединяя земли. Для этого есть изолированные усилители: аналоговый вход с одной стороны барьера, аналоговый выход — с другой.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Изолированный усилитель (isolated amplifier) — микросхема, которая принимает аналоговый сигнал на одной стороне изолирующего барьера и выдаёт пропорциональный ему аналоговый сигнал на другой. Типичная задача — измерить ток по падению на шунте, стоящем в цепи под высоким напряжением, например в фазе инвертора: земля шунта «плавает» вместе с силовой цепью, а АЦП микроконтроллера привязан к своей земле.

Как устроен AMC1301

Пример — AMC1301 от TI (SBAS667G, разд. 7.1–7.3):

  1. На стороне высокого напряжения дифференциальный усилитель подаёт сигнал на дельта-сигма модулятор второго порядка.
  2. Поток битов модулятора идёт через барьер на конденсаторах из SiO2 с амплитудной манипуляцией: несущая 480 МГц есть — единица, нет — ноль.
  3. На стороне низкого напряжения аналоговый фильтр четвёртого порядка превращает поток битов обратно в напряжение на выходах OUTP и OUTN.

Характеристики

Параметр AMC1301Значение
Линейный входной диапазон±250 мВ; до ±320 мВ — с худшей линейностью (разд. 7.3.3); в рекомендуемых режимах вход до ограничения выхода VClipping — ±302,7 мВ
Усиление8,2 В/В; при 250 мВ выход 2,05 В
Синфазный уровень выхода1,39–1,49 В, типично 1,44 В
Смещение, погрешность усилениядо ±0,2 мВ; до ±0,3 %
Изоляцияусиленная, 7070 В пик.; рабочее до 1 кВ ср. кв.
Питание3–5,5 В на каждой стороне (VDD1 и VDD2)

Источник: SBAS667G, с. 1, разд. 7.3.3, рекомендуемые режимы, таблица характеристик.

Стороне высокого напряжения нужно своё питание, отнесённое к земле шунта. В примере применения TI его берут от плавающего источника драйвера верхнего ключа, а землю GND1 — от вывода шунта, соединённого с входом INN (SBAS667G, разд. 8.2.2); другой вариант — изолированный DC-DC-преобразователь. Если это питание пропало или синфазное напряжение на входе вышло за допустимое, AMC1301 выдаёт отрицательное дифференциальное напряжение, которого в нормальной работе не бывает, — по нему контроллер узнаёт об отказе (разд. 7.3.3).

Альтернативы

  • Изолированный модулятор (AMC1306) передаёт поток битов, а цифровой фильтр стоит в микроконтроллере (SBAS734D).
  • Неизолированное измерение — на верхнем плече со специальным усилителем, если синфазное напряжение в его пределах.
  • Трансформатор тока — для переменного тока.

Как выбирать развязку для аналоговых и цифровых сигналов, разбирает статья «Гальваническая развязка».

Частые вопросы

Почему вход изолированного усилителя всего ±250 мВ?

Он рассчитан на шунт: AMC1301 TI прямо оптимизировала для подключения шунтовых резисторов (SBAS667G, с. 1). Маленькое падение на шунте означает маленькие потери: при токе 50 А шунт 5 мОм даёт 250 мВ и рассеивает 12,5 Вт, а шунт на 1 В рассеивал бы 50 Вт (наш расчёт).

Что выдаёт AMC1301 на выходе?

Дифференциальное напряжение между OUTP и OUTN, в 8,2 раза больше входного: при 250 мВ на входе — 2,05 В. При нулевом входе оба вывода находятся на синфазном уровне около 1,44 В (SBAS667G, разд. 7.3.3). Его подают на дифференциальный вход АЦП или преобразуют в однополярный сигнал на ОУ.

Чем изолированный усилитель отличается от изолированного модулятора?

Изолированный усилитель вроде AMC1301 сам восстанавливает аналоговый сигнал на стороне контроллера. Изолированный модулятор AMC1306 отдаёт поток битов дельта-сигма модулятора, а отсчёты из него делает цифровой фильтр в микроконтроллере (SBAS734D). Внутри AMC1301 тоже модулятор, но фильтр стоит в самой микросхеме.

Источники

  1. Texas Instruments. AMC1301 Precision, ±250-mV Input, Reinforced Isolated Amplifier (SBAS667G, April 2016, revised April 2023) — с. 1: вход ±250 мВ для шунтов, усиление 8,2 В/В, смещение до ±0,2 мВ, погрешность усиления до ±0,3 %, нелинейность до 0,03 %, питание 3,3 В на обеих сторонах, 7070 В пик. усиленной изоляции по DIN EN IEC 60747-17, 5000 В ср. кв. по UL 1577, рабочее до 1 кВ ср. кв.; разд. 7.1: дифференциальный усилитель и дельта-сигма модулятор 2-го порядка на стороне высокого напряжения, поток битов через барьер, аналоговый фильтр 4-го порядка на стороне низкого; разд. 7.3.2: OOK, несущая 480 МГц; разд. 7.3.3: при 250 мВ выход 2,05 В, от 250 до 320 мВ — рост с худшей линейностью, затем ограничение; отказоустойчивый выход при пропадании питания высокой стороны или выходе синфазного напряжения за допустимое; табл. характеристик: VCMout 1,39/1,44/1,49 В; рекомендуемые режимы: VDD1 и VDD2 3–5,5 В, VClipping ±302,7 мВ
  2. Texas Instruments. AMC1306x Isolated Delta-Sigma Modulators (SBAS734D, revised August 2026) — модулятор передаёт через барьер поток битов, отсчёты делает цифровой фильтр на стороне контроллера; входы ±50 и ±250 мВ

Нашли ошибку?

Смотрите также