설계 설명

이 회로는 ISO224 절연 증폭기와 ADS745 SAR ADC를 활용하여 ±12V 절연 전압 센서 측정을 수행합니다. ISO224는 ⅓V/V의 고정 게인으로 ±12V의 진정한 차동 신호를 측정하고 출력 공통 모드 전압이VDD2 / 2인 절연 차동 출력 전압을 출력할 수 있습니다. ADS7945는 ±V_REF의 풀 스케일 입력 전압과 V_REF / 2 ±200mV의 공통 모드 입력 전압을 갖춘 완전 차동 입력 ADC입니다. +5V 레퍼런스를 선택하면 ADS7945가 ISO224의 풀 스케일 및 공통 모드 출력을 수용할 수 있습니다. 완전 차동 입력 ADC로 ISO224 출력을 캡처하면 단일 종단 변환보다 시스템 동적 범위가 두 배 더 높아집니다. 보호 릴레이, 채널 간 절연 ±10V 아날로그 입력 카드, 인버터 및 모터 제어와 같은 다양한 고전압 산업용 애플리케이션이 있습니다. 이 설계의 부품 선택에 대한 방정식 및 설명은 시스템 사양 및 요구 사항을 기준으로 사용자 지정할 수 있습니다.

사양

설계 노트

1. ADS7945는 저전력 및 ISO224와 호환 아날로그 입력 구조로 인해 선택되었습니다.
2. 원하는 입력 신호 범위에 대한 시스템의 선형 작동을 확인하십시오. 이는 DC 전송 특성 섹션의 시뮬레이션을 사용하여 검증됩니다.
3. C_FILT용 COG 커패시터를 선택하여 왜곡을 최소화하십시오.
4. ADC 시스템에 대한 오프셋 및 게인 이해와 보정에서는 오류 분석 방법을 다룹니다. 게인, 오프셋, 드리프트 및 잡음 오류를 최소화하는 방법에 대한 링크를 검토하십시오.
5. TI Precision Labs - ADC 교육 비디오 시리즈에서는 충전 버킷 회로 R_FILT 및 C_FILT 선택 방법을 다룹니다. 이러한 구성 요소 값은 증폭기 대역폭, 데이터 컨버터 샘플링 속도 및 데이터 컨버터 설계에 따라 달라집니다. 여기에 표시된 값은 이 예제에서 증폭기와 데이터 컨버터에 대해 우수한 안정화 및 AC 성능을 제공합니다. 설계가 수정되면 다른 RC 필터를 선택해야 합니다. 최적의 안정화 및 AC 성능을 위해 RC 필터를 선택하는 방법에 대한 설명은 SAR ADC 프론트 엔드 구성 요소 선택 소개를 참조하십시오.

부품 선택

1. 입력 전압 범위를 기반으로 절연 증폭기를 선택하고 출력 공통 모드 전압 및 출력 전압 범위를 결정합니다.

   ISO224:

   • ±12-V 단일 종단 입력 범위
   • ±⅓의 고정 게인과 4V 차동 출력 산출
   • +2.5V의 출력 공통 모드 전압
   • 4.5V~18V 고압측 전원 공급 장치, 4.5V~5.5V 저압측 전원 공급 장치
   • 입력 오프셋: 25°C에서 ±5mV, 최대 ±42µV/°C
   • 게인 오류: 25°C에서 ±0.3%, 최대 ±50ppm/°C
   • 비선형: 최대 ±0.01%, ±1ppm/°C
   • 1.25MΩ의 고입력 임피던스

2. ISO224의 +2.5V 공통 모드 및 ±4V 차동 출력과 페어링하려면 적절한 공통 모드 및 차동 입력 범위를 갖춘 ADC를 선택하십시오.

   ADS7945:

   • ±5V 최대 아날로그 입력 범위
   • ±전압 레퍼런스로 설정된 최대 눈금 입력 범위
   • V_REF/2 ±0.2V의 입력 공통 모드 범위
   • 2.7V~5.25V 전원 공급 장치
   • 84의 높은 SNR, 2Msps에서 11.6mW의 저전력

3. ISO224의 2.5V 공통 모드 출력과 ADS7945의 V_REF/2 ±0.2V 공통 모드 입력 전압으로 설정된 공통 모드 제약 조건을 지원하는 전압 레퍼런스를 선택합니다. 즉, 레퍼런스 출력 전압은 5V여야 하고, 저잡음이며, 구성 가능한 입력 전압이 선호됩니다.

   REF5050:

   • 5-V 출력
   • 5.2V~18V 입력 전압 전원 공급 장치
   • 3μVPP/V 잡음

4. 입력 신호 및 100ksps의 샘플링 속도를 설정하는 데 적합한 R_1FILT, R_2FILT및 C_FILT를 선택합니다.

   R_FILT 및 C_FILT 값 구체화는 R_FILT 및 C_FILT 선택 방법을 보여주는 TI Precision Labs 동영상입니다. 120Ω 및 510pF의 최종 값은 획득 창 내에서 최하위 비트(LSB)의 ½ 아래에 안정화되는 것으로 입증되었습니다.

DC 전송 특성

다음 그래프는 ±15V 입력의 시뮬레이션된 출력을 보여줍니다. 원하는 선형 범위는 ±12V 입력에 대한 ±4V 출력입니다. 이 시뮬레이션을 통해 선형 출력 범위가 약 ±4.6V로 요구 사항을 훨씬 뛰어넘는 것을 알 수 있습니다.

전송 기능은 ISO224 게인이 ⅓(즉, 게인 · V_IN = V_OUT, (⅓) ·(12V) = 4V)임을 보여줍니다.

AC 전송 특성

시뮬레이션된 대역폭은 약 186kHz이며 게인은 ISO224의 예상 게인과 대역폭과 거의 일치하는 –9.57dB(또는 0.332V/V)입니다(fc = 175kHz, 게인 = 0.333V/V 지정).

과도 ADC 입력 정착 시뮬레이션

다음 시뮬레이션은 수집 시간이 9.6μs인 과도 고정 결과를 보여줍니다. 11μV 정착 오류는 0.5 × LSB 한계인 305μV 이내입니다. 이 주제에 대한 자세한 이론은 Rfilt 및 Cfilt 값 구체화를 참조하십시오.

잡음 시뮬레이션

다음 잡음 계산은 ISO224의 잡음만 살펴봅니다. ISO224 잡음은 회로의 다른 잡음 소스보다 상당히 높기 때문에 전체 잡음을 ISO224 잡음으로 근사할 수 있습니다. B 등급에도 동일한 방법을 사용할 수 있습니다.

시뮬레이션된 잡음이 예상 계산된 잡음보다 큽니다. 이 차이는 시뮬레이션 모델에서 잡음 피킹으로 인한 것입니다. 잡음 피킹은 계산에 포함되지 않습니다. 이 주제에 대한 자세한 이론은 ADC 시스템의 총 잡음 계산을 참조하십시오.

주요 장치 설계

설계 레퍼런스

TI의 포괄적인 회로 라이브러리에 대한 아날로그 엔지니어의 회로 안내서를 참조하십시오.

주요 파일 링크

절연 설계를 위한 TINA 파일을 참조하십시오.