GERA019 April   2023 AMC1202 , AMC1302 , AMC1302-Q1 , AMC3302 , AMC3302-Q1

 

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Designziele

Stromquelle (Nominal) Stromquelle (Kurz) Eingangsspannung Ausgangsspannung Stromversorgung
IIN MIN IIN MAX ICHKURZ VSHUNT, MIN VSHUNT, MAX

VOUT

VDD1 VDD2

±10 mA

±10 A ±200 A ±10 µV ±10 mV

55 mV–3,245 V

5 V

3,3 V

Designbeschreibung

Einige Anwendungen benötigen eine Schaltung zur Messung kleiner Nennströme bei gleichzeitig hohem Kurzschlussstrom, wie zum Beispiel Leistungsschalter. Dieses Schaltungsdesigndokument beschreibt eine isolierte Strommessschaltung, welche Nennlastströme von ±10 mA bis ±10 A genau messen kann, und dabei einem Kurzschlussstrom von bis zu ±200 A standhält. Für die Zwecke dieser Schaltung nehmen Sie an, dass der Ausgang mit einem unsymmetrischen 3,3 V-ADC verwendet wird. z. B. eine, die in einem MSP430 integriert ist. Die Isolierung zwischen dem gemessenen Eingangsstrom und dem ADC wird mit einem isolierten Verstärker (AMC1302) erreicht. Bei einem 1 mΩ-Shunt-Widerstand erzeugt der erwartete minimale Nennstrom ein ±10 µV-Signal, ein Signal, das aufgrund der Totzone des Delta-Sigma-Modulators zu klein ist, um eine genaue Auflösung nahe einem Spannungseingang nahe Null zu erreichen. Um dies zu beheben, verwendet der Schaltkreis einen 2-Kanal-Operationsverstärker (TLV9002), der das Signal um eine Verstärkung von 5 V/V verstärkt und die Gleichtaktspannung auf 1 V stellt. Dadurch wird nicht nur der minimale Nennstrom aus der Totzone entfernt, sondern auch der maximale Nennstrom erhöht, um dem linearen Vollausschlag-Eingangsbereich des isolierten Verstärkers zu entsprechen. Der lineare Vollausschlag-Eingangsbereich des isolierten Verstärkers beträgt ±50 mV bei einem differenziellen Ausgangsspannungshub von ±2,05 V bei einer Gleichtaktspannung von 1,44 V und einer festen internen Verstärkung von 41 V/V. Auf der Ausgangsseite des isolierten Verstärkers wird ein zweiter 2-Kanal-Operationsverstärker (TLV9002) verwendet, bei dem: der erste Kanal wird verwendet, um die unsymmetrische Gleichtaktspannung auf 1,65 V einzustellen, und der zweite Kanal wandelt das differenzielle Ausgangssignal vom isolierten Verstärker in ein unsymmetrisches Signal um, das mit einem unsymmetrischen 3,3 V-ADC verwendet werden kann.

AMC3330

Designhinweise

  1. Der AMC1302 wurde aufgrund des geringen Stromverbrauchs und der Auflösung sowie des vollen Eingangsspannungsbereichs von ±50 mV des Verstärkers als isolierter Verstärker ausgewählt.
  2. Der TLV9002 wurde als Operationsverstärker für das kostengünstige, kompakte Zweikanalgehäuse mit geringem Offset ausgewählt.
  3. Wählen Sie eine rauscharme Quelle mit niedriger Impedanz sowohl für VDD1 als auch für VDD2, die die TLV9002IN , TLV9002OUT , und AMC1302 mit Strom versorgen und gleichzeitig die Gleichtaktspannung für den unsymmetrischen Ausgang einstellen.
    • VDD1 verweist auf GND1 und VDD2 auf GND2.
  4. Für höchste Genauigkeit verwenden Sie einen Präzisions-Shunt-Widerstand mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten.
  5. Wählen Sie den Shunt-Widerstand für den erwarteten Nennstrom und den Kurzschluss am Eingang.
    1. Für einen kontinuierlichen Betrieb sollten die Shunt-Widerstände unter normalen Bedingungen gemäß IEEE-Standards nicht mit mehr als zwei Dritteln des Nennstroms betrieben werden. Eine weitere Reduzierung des Shunt-Widerstands oder eine Erhöhung der Nennleistung kann für Anwendungen mit strengen Verlustleistungsanforderungen erforderlich sein.
    2. Auf Kurzschlussstrom prüfen Sie die Kurzzeit-Überlastspezifikation im Datenblatt des Shunt-Widerstands. Der Strom beträgt oft 5 × der Nennverlustleistung.
    3. Unterstützung bei der Berechnung der Verlustleistung finden Sie im Excel Calculator zur Strommessung für isolierte Verstärker.
  6. Verwenden Sie die richtigen Widerstandsteilerwerte, um die Gleichtaktspannung auf Kanal 1 des TLV9002IN und TLV9002OUT einzustellen. Stellen Sie sicher, dass die Eingangsgleichtaktspezifikation des isolierten Verstärkers nicht verletzt wird.
  7. Wählen Sie die richtigen Werte für die Verstärkungseinstellwiderstände auf Kanal 2 von TLV9002OUT, damit der unsymmetrische Ausgang über einen geeigneten Ausgangsspannungshub verfügt.

Designschritte

  1. Bestimmen Sie den geeigneten Shunt-Widerstandswert anhand des maximalen Nennstroms.
    R S H U N T   =   V i n M a x I i n M a x   =   50 m V 10 A   =   5   m Ω
  2. Da dieser Shunt-Widerstand in der Lage sein muss, einem 200 A-Kurzschlussstrom standzuhalten, reduzieren Sie den Shunt-Widerstand um einen Faktor von 5, der in Schritt 6 kompensiert wird. Bestimmen Sie die Verlustleistung des Shunt-Widerstands während des Betriebs mit maximalem Nennstrom.
    P o w e r   R S H U N T   =   I i n M a x 2   ×   R S H U N T   =   100   A 2   ×   1   m Ω   =   0.1   W

    Bestimmen Sie die Verlustleistung des Shunt-Widerstands während des Betriebs mit minimalem Nennstrom.

    P o w e r   R S H U N T   =   I i n M i n 2   ×   R S H U N T   =   0.1   m A 2   ×   1   m Ω   =   0.1   μ W
  3. Bestimmen Sie die Verlustleistung des Shunt-Widerstands während eines Kurzschlusses. Vergewissern Sie sich, dass die ausgewählte kurzzeitige Überlastspezifikation (normalerweise 5 × nominal) der durch den Kurzschluss abgegebenen Leistung standhalten kann.
    P o w e r   R S H U N T   =   I i n S h o r t 2   ×   R S H U N T   =   40,000   A 2   ×   1   m Ω   =   40   W

    Wählen Sie einen Shunt-Widerstand mit einer um den Faktor 5 reduzierten Verlustleistung. Wenn also die kurzfristige Überlastanforderung 40 W beträgt, dann ist die Shunt-P-Verlustleistung = 8 W im analogen Designjournal Design considerations for isolated current sensing zu finden.

  4. Kanal 1 der TLV9002IN wird verwendet, um die 1 V-Gleichtaktspannung des unsymmetrischen Ausgangs von Kanal 2 der TLV9002IN einzustellen. Die 1 V-Ausgangsspannung von Kanal 1 wird ebenfalls an den PLUS-Eingang des AMC1302 gesendet. Mit einer 5 V-Versorgung kann ein einfacher Widerstandsteiler verwendet werden, um 5 V auf 1 V zu teilen. Unter Verwendung von 4 kΩ für R1kann R2 mit der folgenden Gleichung berechnet werden.
    R 2   =   V C M   ×   R 1 V D D   -   V C M   =   1.00   V   ×   4000   Ω 5.00   V   -   1.00   V   =   1000   Ω
  5. Kanal 2 von TLV9002IN wird verwendet, um die Spannung vom Shunt-Widerstand zu verstärken, sodass der gesamte Eingangsspannungsbereich des AMC1302 zum Messen des maximalen Nennstrombereichs genutzt wird. Bei einem Shunt-Widerstand von 1 mΩ und einem maximalen Nennstrom von ±10 A beträgt die Ausgangsspannung des Shunt-Widerstands ±10 mV. Da die maximale Eingangsspannung des AMC1302 ±50 mV beträgt, muss der Ausgang des Shunt-Widerstands um 5 V/V verstärkt werden. Während R3|R4 bei 1 kΩ gehalten wird, kann der Widerstandswert von R5|R6 mit der folgenden Gleichung ermittelt werden.
    G a i n   ( V V ) = R 5,6 R 3,4   ;   R 5,6 = G a i n   ( V V )   ×   R 3,4 = 5   V V   ×   1   k Ω = 5   k Ω
  6. Vergewissern Sie sich, dass die absoluten maximalen Spannungsgrenzwerte am Eingang von AMC1302 bei einem Kurzschluss mit dem ausgewählten Shunt-Widerstand nicht verletzt werden. Ein Kurzschlussstrom von 200 A führt dazu, dass eine Differenzspannung von 1 V an den AMC1302 angelegt wird. Da der Eingangsgleichtakt auf 1 V eingestellt ist, werden am negativen Eingang des AMC1302 maximal 2 V bezüglich GND1 angelegt.
    V i n A M C   =   200   A   ×   0.001   Ω   ×   5   V V   =   1   V

    Die absolute maximale Eingangsspannung des AMC1302 ist 500 mV höher als die High-Side-Versorgungsspannung (wie im Datenblatt Verstärker mit verstärkter Isolierung für den Präzisionseingang AMC1302 mit ±50 mV angegeben). Bei einer High-Side-Versorgungsspannung von 5 V wird die absolute maximale Eingangsspannung nicht verletzt.

  7. Kanal 1 der TLV9002OUT wird verwendet, um die 1,65 V-Gleichtaktspannung des unsymmetrischen Ausgangs von Kanal 2 der TLV9002OUT einzustellen. Mit einer 3,3 V-Versorgung kann ein einfacher Widerstandsteiler verwendet werden, um 3,3 V auf 1,65 V zu teilen. Unter Verwendung von 1 kΩ für R7 kann R8 mit der folgenden Gleichung berechnet werden.
    R 8   =   V C M   ×   R 7 V D D   -   V C M   =   1.65   V   ×   1000   Ω 3.3   V   -   1.65   V   =   1000   Ω  
  8. Während der TLV9002 ein Rail-to-Rail-Operationsverstärker ist, kann der Ausgang eines TLV9002 nur maximal 55 mV von den Versorgungsschienen schwingen. Aus diesem Grund kann der unsymmetrische Ausgang von TLV9002OUT von 55 mV auf 3,245 V (3,19 Vpk-pk) schwingen.
  9. Die Ausgänge VOUTP und VOUTN des AMC1302 sind 2,05 Vpk-pk, 180 Grad phasenverschoben und haben eine Gleichtaktspannung von 1,44 V. Daher beträgt der Differenzausgang ±2,05 V oder 4,1 Vpk-pk.

    Um innerhalb der Ausgangsbeschränkungen von TLV9002OUT zu bleiben, muss der Ausgang des AMC1302 um den Faktor 3,2 / 4,1 gedämpft werden. Bei R9 = R10 und R11 = R12 kann für die Berechnung von R11 und R12 die folgende Übertragungsfunktion für die Differenzstufe zur unsymmetrischen Stufe verwendet werden.

    V O U T =   V O U T P - V O U T N × R 11,12 R 9,10 + V C M  
  10. Unter Verwendung des zuvor berechneten Ausgangsspannungshubs von TLV9002OUT und der Einstellung R9 und R10 auf 10 kΩ können R11 und R12 mit der folgenden Gleichung auf 7,8 kΩ berechnet werden.
    3.2 =   2.465 V - 415 m V × R 11,12 10 k Ω + 1.65

    Mit standardmäßigen Widerstandswerten von 0,1 % kann ein Widerstand von 7,8 kΩ verwendet werden. Dies ermöglicht den maximalen Ausgangsspannungshub innerhalb der Grenzen des TLV9002.

  11. Die Kondensatoren C1 und C2 sind parallel zu den Widerständen R11 und R12 angeordnet, um Hochfrequenzsignale zu begrenzen. Bei R11 = R12 und C1 = C2 kann die Grenzfrequenz mit der folgenden Gleichung berechnet werden.
    f c =   1 2 × π × R 11,12 × C 1,2

    Wenn C1 = C2 = 1 nF und R11 = R12 = 7800 Ω ist, kann die Grenzfrequenz auf 20,414 kHz berechnet werden.

    f c =   1 2 × π × 7800 Ω × 1 n F = 20 . 414 k H z

Designsimulationen

DC-Simulationsergebnisse

Die Simulationsergebnisse zeigen die simulierten DC-Eigenschaften der Spannung über den Shunt, den differenziellen Eingang/Ausgang des AMC1302 und den unsymmetrischen Ausgang des Verstärkers TLV9002 von –10 A bis 10 A.

AMC3330 SimulationsergebnisseSimulationsergebnisse

Die DSimulation eines Kurzschlussereignisses zeigt eine Simulation des Schaltkreises während eines Kurzschlussereignisses, indem gezeigt wird, wie die Ein- und Ausgänge bei ±200 A reagieren. Die roten und blauen Linien, die durch die Diagramme gehen, markieren die Punkte, an denen der Ausgang des AMC1302 mit dem Clipping beginnt. Von diesem Punkt an besteht der Zweck der Schaltung darin, den Betrieb nach dem Kurzschlussereignis fortzusetzen. Im Abschnitt Designschritte wurden die Werte für Verstärkung und Shunt-Widerstand auf der Highside des AMC1302 gewählt, um Schäden während dieses Ereignisses zu vermeiden. In der folgenden Simulation werden diese Optionen validiert: Die maximale Eingangsspannung, die beim Kurzschlussereignis an den AMC1302 eintritt, beträgt ±1 V und ist damit niedriger als die absoluten Grenzdaten des Bauteils. Daher bestätigt die Simulation, dass der Schaltkreis auch nach dem Kurzschlussereignis weiterarbeitet.

AMC3330 Simulation eines KurzschlussereignissesSimulation eines Kurzschlussereignisses

Ergebnisse der AC-Simulation im geschlossenen Regelkreis

Die AC-Simulation zeigt die Wechselstromübertragungskennlinie des unsymmetrischen Ausgangs. Diese Simulation zeigt, welche Verstärkung (dB) zu erwarten ist, wenn die Frequenz dem mit der zweiten Gleichung in Schritt 11 berechneten Grenzwert nähert und diesen überschreitet. Das analoge Frontend hat eine Verstärkung von 5 V/V, das AMC1302 eine Verstärkung von 41 V/V und die differenzielle zu-unsymmetrische Wandlung eine Verstärkung von 0,78 V/V. Dadurch ist eine Verstärkung von 44,07 dB zu erwarten, die in der folgenden Abbildung veranschaulicht wird.

AMC3330 AC-SimulationAC-Simulation

Sinuswellen-Simulationsergebnisse

Die Sinuswellen-Simulation zeigt den Ausgang des Shunts, den differenziellen Eingang und Ausgang des AMC1302 und den unsymmetrischen Ausgang des TLV9002 als Reaktion auf ein Sinussignal mit einer Amplitude von –10 A bis 10 A. der Differenzausgang des AMC1302 beträgt ±2,05 Vpk-pk wie erwartet. Der unsymmetrische Ausgang beträgt 3,19 Vpk-pk und schwingt von 55 mV auf 3,245 V.

AMC3330 Sinuswellen-SimulationSinuswellen-Simulation

Designreferenzen

Weitere Informationen zur Umwandlung von differenziellen in unsymmetrische Ausgängen finden Sie in der umfassenden Schaltungsbibliothek von TI in Analog Engineer's Circuit Cookbooks und in der Anwendungsbeschreibung Interfacing a Differential-Output (Isolated) Amp to a Single-Ended Input ADC.

Empfohlene isolierte Verstärker

AMC1302
Arbeitsspannung 1500 VRMS
Verstärkung 41 V/V
Bandbreite TYP mit 280 kHz
Linearer Eingangsspannungsbereich ±50 mV
Eingangswiderstand 4,9 kΩ (Typ.)
Eingangs-Offsetspannungsdrift ±50 µV (max.), ±0,8 µV/ C (max.)
Verstärkungsfehler und Drift ±0,2 % (max.), ±35 ppm/Grad C (max.)
Nichtlinearität und Drift 0,03 % (max.), 1 ppm/Grad C (Typ.)
Isolierung transiente Überspannung 7071 VPEAK
Hohe Gleichtakt-Transientenstörfestigkeit, CMTI 100 kV/µs (min.)

Design alternativer isolierter Verstärker

AMC3302
Arbeitsspannung 1200 VRMS
Verstärkung 41 V/V
Bandbreite TYP mit 334 kHz
Linearer Eingangsspannungsbereich ±50 mV
Eingangswiderstand 4,9 kΩ (Typ.)
Eingangs-Offsetspannungsdrift ±50 µV (max.), ±0,5 µV/ C (max.)
Verstärkungsfehler und Drift ±0,2 % (max.), ±35 ppm/Grad C (max.)
Nichtlinearität und Drift ±0,03 % (max.), 1 ppm/Grad C (Typ.)
Isolierung transiente Überspannung 6000 VPEAK
Hohe Gleichtakt-Transientenstörfestigkeit, CMTI 95 kV/US (min.)
AMC1202
Arbeitsspannung 1000 VRMS
Verstärkung 41 V/V
Bandbreite TYP mit 280 kHz
Linearer Eingangsspannungsbereich ±50 mV
Eingangswiderstand 4,9 kΩ (Typ.)
Eingangs-Offsetspannungsdrift ±50 µV (max.), ±0,8 µV/ C (max.)
Verstärkungsfehler und Drift ±0,2 % (max.), ±35 ppm/Grad C (max.)
Nichtlinearität und Drift ±0,03 % (max.), 1 ppm/Grad C (Typ.)
Isolierung transiente Überspannung 4250 VPEAK
Hohe Gleichtakt-Transientenstörfestigkeit, CMTI 100 kV/µs (min.)