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    • 什么是共模瞬變抗擾度?
    • 如何在平臺上測試隔離調(diào)制器的CMTI特性
    • 系統(tǒng)級補償和校準(zhǔn)技術(shù)
    • 如何使用斬波技術(shù)
    • 推薦電路和布局設(shè)計
    • 結(jié)論
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下一代隔離式Σ-Δ調(diào)制器如何改進(jìn)系統(tǒng)級電流測量

03/07 10:30
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本文首先介紹共模瞬變抗擾度(CMTI)詳細(xì)概念及其在系統(tǒng)中的重要性。我們將討論一個新的隔離式Σ-Δ調(diào)制器系列及其性能,以及它如何提高和增強(qiáng)系統(tǒng)電流測量精度,尤其是針對失調(diào)誤差和失調(diào)誤差漂移。最后介紹推薦的電路解決方案。

隔離調(diào)制器廣泛用于需要高精度電流測量和電流隔離的電機(jī)/逆變器。隨著電機(jī)/逆變器系統(tǒng)向高集成度和高效率轉(zhuǎn)變,SiCGaN
FET由于具有更小尺寸、更高開關(guān)頻率和更低發(fā)熱量的優(yōu)勢,而開始取代MOSFETIGBT。然而,隔離器件需要具有高CMTI能力,另外還需要更高精度的電流測量。下一代隔離調(diào)制器大大提高了CMTI能力,并改善了其本身的精度。

什么是共模瞬變抗擾度?

共模瞬變抗擾度規(guī)定了應(yīng)用在絕緣臨界狀態(tài)下的瞬變脈沖上升和下降的速率。如果超過該速率,可能導(dǎo)致對數(shù)據(jù)或時鐘的損壞。脈沖的變化率和絕對共模電壓都會記錄。

新的隔離調(diào)制器在靜態(tài)和動態(tài)CMTI條件下進(jìn)行了測試。靜態(tài)測試檢測來自器件的單個位錯誤。動態(tài)測試監(jiān)測濾波后的數(shù)據(jù)輸出,以觀察在CMTI脈沖隨機(jī)應(yīng)用中的噪聲性能變化。詳細(xì)測試框圖如圖1所示。

圖1. 簡化的CMTI測試框圖

CMTI之所以重要,是因為高壓擺率(高頻)瞬變可能會破壞跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。了解并測量這些瞬變對器件的影響至關(guān)重要。ADI的測試方法基于IEC 60747-17標(biāo)準(zhǔn),其中涉及磁耦合器的共模瞬變抗擾度(CMTI)測量方法。

如何在平臺上測試隔離調(diào)制器的CMTI特性

簡化的CMTI測試平臺包括如下項目,如圖1所示:

VDD1/VDD2的電池電源。

高共電壓脈沖發(fā)生器

用于監(jiān)視數(shù)據(jù)的示波器。

用于分析數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集平臺和用于隔離調(diào)制器的256倍抽取sinc3濾波器。

隔離模塊(通常使用光隔離)。

隔離調(diào)制器。

靜態(tài)和動態(tài)CMTI測試使用相同的平臺,只是輸入信號不同。該平臺還可用于測試其他隔離產(chǎn)品的CMTI性能。對于隔離調(diào)制器,將一位流數(shù)據(jù)抽取和濾波后傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/520532.html">電機(jī)控制系統(tǒng)中的控制環(huán)路中,從而使得動態(tài)CMTI測試性能更加全面和有用。圖2和圖3顯示了不同CMTI水平下的時域和頻域CMTI動態(tài)測試性能。從圖2中可以看出,對于同一隔離調(diào)制器,當(dāng)施加更高VCM瞬變信號時,雜散會變得更大。當(dāng)VCM瞬變信號超過隔離調(diào)制器規(guī)格時,時域中會出現(xiàn)非常大的雜散(如圖2c所示)。這在電機(jī)控制系統(tǒng)中會帶來嚴(yán)重后果,導(dǎo)致很大的扭矩紋波。

圖2. 時域動態(tài)CMTI性能

圖3. 頻域動態(tài)CMTI性能

圖3顯示了不同頻率瞬變下的FFT域性能(即通過改變瞬變周期來保持VCM瞬變水平)。圖3中的結(jié)果表明,諧波與瞬變頻率高度相關(guān)。因此,隔離調(diào)制器的CMTI能力越高,F(xiàn)FT分析中的噪聲水平就越低。與上一代隔離調(diào)制器相比,下一代 ADuM770x器件 將CMTI能力從25 kV/μs提高到150 kV/μs,極大地改善了系統(tǒng)瞬態(tài)抗擾度,詳見表1中的比較數(shù)據(jù)。

表1. 主要規(guī)格比較

系統(tǒng)級補償和校準(zhǔn)技術(shù)

在電機(jī)控制或逆變器系統(tǒng)中,電流數(shù)據(jù)的精度越高,系統(tǒng)就越穩(wěn)定和高效。失調(diào)和增益誤差ADC中直流誤差的常見來源。圖4顯示了失調(diào)和增益誤差如何影響ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)。這些誤差會以扭矩紋波或速度紋波的形式影響系統(tǒng)。對于大多數(shù)系統(tǒng),為了限制誤差影響,可以在環(huán)境溫度下校準(zhǔn)消除這些誤差。

圖4. ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)的失調(diào)和增益誤差

否則,整個溫度范圍內(nèi)的失調(diào)漂移和增益誤差會成為問題,因為它們更難以補償。在已知系統(tǒng)溫度的情況下,對于具有線性和可預(yù)測漂移曲線的轉(zhuǎn)換器,通過向曲線添加補償因子以使失調(diào)漂移曲線盡可能平坦,可以實現(xiàn)對失調(diào)和增益誤差漂移的補償(盡管成本高且耗時)。這種補償方法的詳情參見應(yīng)用筆記 AN-1377。這種方法可以降低 AD7403/AD7405 數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的漂移值,失調(diào)漂移降低多達(dá)30%,增益誤差漂移降低多達(dá)90%。當(dāng)希望改善系統(tǒng)級的失調(diào)和增益誤差漂移時,可以將該方法應(yīng)用于任何其他轉(zhuǎn)換器件。

如何使用斬波技術(shù)

另外還有一種稱為斬波技術(shù)的設(shè)計,它對系統(tǒng)設(shè)計人員來說更高效、更方便,而且斬波功能也可以與硅片本身很好地集成,以最大限度地減少失調(diào)和增益誤差漂移。斬波方案如圖5所示,在ADC上實施的解決方案是對整個模擬信號鏈進(jìn)行斬波,以消除所有失調(diào)和低頻誤差。

圖5. 斬波

調(diào)制器的差分輸入在輸入多路復(fù)用器上交替反相(或斬波),針對斬波的每個相位執(zhí)行一次ADC轉(zhuǎn)換(多路復(fù)用器切換到0或1狀態(tài))。調(diào)制器斬波在輸出多路復(fù)用器中反轉(zhuǎn),然后將輸出信號送入數(shù)字濾波器。

如果Σ-Δ調(diào)制器中的失調(diào)表示為VOS,則當(dāng)斬波為0時,輸出為(AIN(+) ? AIN(?)) + VOS;當(dāng)斬波為1時,輸出為?[(AIN(?) ? AIN(+)) + VOS]。誤差電壓VOS通過在數(shù)字濾波器中對這兩個結(jié)果求平均來消除,得出(AIN (+) ? AIN (?)),它等于沒有任何失調(diào)項的差分輸入電壓。

最新的隔離式調(diào)制器通過優(yōu)化內(nèi)部模擬設(shè)計和使用最新斬波技術(shù)來改善失調(diào)和增益誤差相關(guān)的性能,這極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計并減少了校準(zhǔn)時間。最新ADuM770x器件具有非常高的隔離度和出色的ADC性能。另外還提供LDO版本,它可簡化系統(tǒng)的電源設(shè)計

推薦電路和布局設(shè)計

電機(jī)系統(tǒng)的典型電流測量電路如圖6所示。雖然系統(tǒng)中需要三個相電流測量電路,但框圖中只顯示了一個。其他兩個相電流測量電路類似,用藍(lán)色虛線表示。從相電流測量電路可以看出,RSHUNT電阻的一側(cè)連接到ADuM770x-8的輸入。另一側(cè)連接到高壓FET(可以是IGBT或MOSFET)和電機(jī)。當(dāng)高壓FET改變狀態(tài)時,總是會出現(xiàn)過壓、欠壓或其他電壓不穩(wěn)定情況。相應(yīng)地,RSHUNT電阻的電壓波動會傳遞到ADuM770x-8,相關(guān)數(shù)據(jù)將在DATA引腳上接收。布局和系統(tǒng)隔離設(shè)計可以改善或惡化電壓不穩(wěn)定情況,從而影響相電流測量精度。

圖6. 電機(jī)系統(tǒng)中的典型電流測量電路

推薦的電路設(shè)置如圖6所示:

VDD1/VDD2解耦需要10 μF/100 nF電容,這些電容應(yīng)放置在盡可能靠近相應(yīng)引腳的地方。

需要一個10 Ω/220 pF RC濾波器。

建議使用可選的差分電容來降低分流器的噪聲影響。將該電容放置在靠近IN+/IN–引腳的位置(推薦使用0603封裝)。

當(dāng)數(shù)字輸出線路較長時,建議使用82 Ω/33 pF RC濾波器。為了獲得良好的性能,應(yīng)考慮使用屏蔽雙絞線電纜。

如有更高的性能要求,請考慮使用4引腳分流電阻。

為了達(dá)到最佳性能,良好的布局也必不可少。推薦的布局如圖7所示。建議在分流電阻和IN+/IN–輸入引腳之間使用差分對布線,以增強(qiáng)共模抑制能力。10
Ω/220 pF濾波器應(yīng)盡可能靠近IN+/IN–輸入引腳放置。10 μF/100nF解耦電容應(yīng)靠近VDD1/VDD2電源引腳放置。建議將部分地層GND1置于輸入相關(guān)電路下方,以提高信號穩(wěn)定性。對于獨立的GND1線路(顯示為紫色并與差分對走線平行),從分流電阻到ADuM770x-8GND引腳需要采用星形連接,以降低電源電流波動的影響。

圖7. ADuM770x-8電路的推薦PCB布局

結(jié)論

最新的ADuM770x隔離式Σ-Δ調(diào)制器將CMTI提高到150 kV/μs水平,并改善了溫度漂移性能,這對電流測量應(yīng)用非常有利。在設(shè)計階段使用推薦的電路和布局將很有幫助。

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亞德諾半導(dǎo)體全稱為亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司(analog devices,inc.)簡稱ADI。是一家專營半導(dǎo)體傳感器和信號處理ic的卓越的供應(yīng)商,ADI將創(chuàng)新、業(yè)績和卓越作為企業(yè)的文化支柱,并基此成長為該技術(shù)領(lǐng)域最持久高速增長的企業(yè)之一。ADI是業(yè)界卓越的半導(dǎo)體公司,在模擬信號、混合信號和數(shù)字信號處理的設(shè)計與制造領(lǐng)域都發(fā)揮著十分重要的作用。

亞德諾半導(dǎo)體全稱為亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司(analog devices,inc.)簡稱ADI。是一家專營半導(dǎo)體傳感器和信號處理ic的卓越的供應(yīng)商,ADI將創(chuàng)新、業(yè)績和卓越作為企業(yè)的文化支柱,并基此成長為該技術(shù)領(lǐng)域最持久高速增長的企業(yè)之一。ADI是業(yè)界卓越的半導(dǎo)體公司,在模擬信號、混合信號和數(shù)字信號處理的設(shè)計與制造領(lǐng)域都發(fā)揮著十分重要的作用。收起

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Analog Devices, Inc.(簡稱ADI)始終致力于設(shè)計與制造先進(jìn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品和優(yōu)秀解決方案,憑借杰出的傳感、測量和連接技術(shù),搭建連接真實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁,從而幫助客戶重新認(rèn)識周圍的世界。