GERA019 April 2023 AMC1202 , AMC1302 , AMC1302-Q1 , AMC3302 , AMC3302-Q1
Stromquelle (Nominal) | Stromquelle (Kurz) | Eingangsspannung | Ausgangsspannung | Stromversorgung | |||
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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 |
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.
Bestimmen Sie die Verlustleistung des Shunt-Widerstands während des Betriebs mit minimalem Nennstrom.
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.
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.
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.
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.
Wenn C1 = C2 = 1 nF und R11 = R12 = 7800 Ω ist, kann die Grenzfrequenz auf 20,414 kHz berechnet werden.
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.
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.
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.
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.
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.
AMC1302 | |
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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.) |
AMC3302 | |
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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 | |
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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.) |