설계 목표

설계 설명

일부 애플리케이션에는 회로 차단기와 같이 높은 단락 전류를 견디면서 작은 정격 전류를 측정하기 위한 회로가 필요합니다. 이 회로 설계 문서는 최대 ±200A의 단락 회로 전류를 견디면서 ±10mA에서 ±10A의 정격 부하 전류를 정확하게 측정할 수 있는 절연 전류 감지 회로를 설명합니다. 이 회로의 목적상 출력은 MSP430에 통합된 것과 같은 3.3V 단일 종단 ADC와 함께 사용된다고 가정합니다. 측정할 라인 전류와 ADC 사이의 절연은 절연 증폭기(AMC1302)를 사용하여 이루어집니다. 1mΩ 션트 저항을 사용하면 예상되는 최소 공칭 전류가 ±10-µV 신호를 생성하는데, 이 신호는 델타-시그마 모듈레이터 데드 존으로 인해 제로 전압 입력 부근까지 정확하게 해석하기에 너무 작습니다. 이 문제를 해결하기 위해 회로는 2채널 연산 증폭기(TLV9002)를 사용하여 5V/V 게인으로 신호를 증폭하고 공통 모드 전압을 1V로 설정합니다. 이렇게 하면 최소 공칭 전류가 데드 존을 벗어날 수 있을 뿐만 아니라 최대 공칭 전류가 절연 증폭기의 전체 스케일 선형 입력 범위와 일치하게 상승합니다. 절연 증폭기의 전체 스케일 선형 입력 범위는 ±50mV이며, 출력 공통 모드 전압 1.44V와 고정 내부 게인 41V/V에서 차동 출력 스윙은 ±2.05V입니다. 절연 증폭기의 출력 측에 두 번째 2채널 연산 증폭기(TLV9002)가 사용되며, 여기서 첫 번째 채널은 단일 종단 공통 모드 전압을 1.65V 로 설정하는 데 사용되고, 두 번째 채널은 절연 증폭기의 차동 출력 신호를 3.3V 단일 종단 ADC와 함께 사용할 수 있는 단일 종단으로 변환합니다.

설계 단계

1. 최대 공칭 전류를 기준으로 적절한 션트 저항 값을 결정합니다.
   $R_{SHUNT} = \frac{V_{inMax}}{I_{inMax}} = \frac{50mV}{10A} = 5 m\Omega$
2. 이 션트 저항은 200A의 단락 전류를 견딜 수 있어야 하므로 6단계에서 보상되는 션트 저항을 5배 더 줄입니다. 최대 공칭 전류 작동 중 션트 저항 전력 손실을 파악합니다.
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMax}}^2 \times R_{SHUNT} = 100 A^2 \times 1 m\Omega = 0.1 W$

   최소 공칭 전류 작동 중 션트 저항 전력 손실을 파악합니다.

   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMin}}^2 \times R_{SHUNT} = 0.1 {mA}^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 0.1 \mu W$
3. 단락 중 션트 저항 전력 손실을 파악합니다. 선택한 단기 과부하 사양(일반적으로 공칭의 5배)이 단락으로 인한 전력 손상을 견딜 수 있는지 확인합니다.
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inShort}}^2 \times R_{SHUNT} = \mathrm{40,000} A^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 40 W$

   전력 손실이 5배 감소된 션트 저항을 선택합니다. 따라서 단기 과부하 요구 사항이 40W인 경우 션트 P_dissipation = 8W입니다. 자세한 내용은 절연 전류 감지에 대한 설계 고려 사항 아날로그 디자인 학술지를 참조하십시오.

4. TLV9002_IN의 채널 1은 TLV9002_IN 채널 2의 단일 종단 출력의 1V 공통 모드 전압을 설정하는 데 사용됩니다. 채널 1의 1V 출력도 AMC1302의 양의 입력으로 전송됩니다. 5V 공급에서 간단한 저항 분할기를 사용하여 5V를 1V로 나눌 수 있습니다. R₁에 4kΩ을 사용하면 다음 방정식을 사용하여 R₂를 계산할 수 있습니다.
   $R_2 = \frac{V_{CM} \times R_1}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.00 V \times 4000 \mathrm{\Omega }}{5.00 V - 1.00 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
5. TLV9002_IN의 채널 2는 최대 공칭 전류 범위를 측정할 때 AMC1302의 전체 스케일 입력 전압 범위가 활용되도록 션트 저항기의 전압을 증폭하는 데 사용됩니다. 션트 저항이 1mΩ이고 최대 공칭 전류가 ±10A인 경우 션트 레지스터의 출력 전압은 ±10mV입니다. AMC1302의 최대 입력 전압은 ±50mV이므로 션트 레지스터의 출력은 5V/V까지 증폭해야 합니다. R3|R4를 1kΩ에서 유지하면 R5|R6의 저항 값은 다음 방정식으로 찾을 수 있습니다.
   $Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right)=\frac{R_{\mathrm{5,6}}}{R_{\mathrm{3,4}}} ;{ R}_{\mathrm{5,6}}=Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right) \times R_{\mathrm{3,4}}=5 \raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. \times 1 k\mathrm{\Omega }=5 k\mathrm{\Omega }$
6. AMC1302 입력의 절대 최대 전압 제한이 선택한 션트 저항에 따라 단락 중에 위반되지 않는지 확인합니다. 200A 단락 회로 전류가 발생하면 AMC1302에 1V 차동 전압이 적용됩니다. 입력 공통 모드가 1V로 설정되어 있기 때문에 GND1을 기준으로 AMC1302의 음극 입력에 최대 2V가 적용됩니다.
   $V_{inAMC} = 200 A \times 0.001 \mathrm{\Omega }\mathrm{ }\times \mathrm{ }5\mathrm{ }\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. = 1 V$

   AMC1302의 절대 최대 입력 전압은 고압측 공급 전압보다 500mV 더 큽니다(AMC1302 정밀, ±50mV 입력, 강화 절연 증폭기 데이터 시트에 명시되어 있음). 5V 고압측 공급 전압에서는 절대 최대 입력 전압 정격이 위반되지 않습니다.

7. TLV9002_OUT의 출력 채널 1은 TLV9002_OUT 채널 2의 단일 종단 출력의 1.65V 공통 모드 전압을 설정하는 데 사용됩니다. 3.3V 공급을 사용하면 간단한 저항 분할기를 사용하여 3.3V를 1.65V로 나눌 수 있습니다. R₇에 1kΩ을 사용하고, R₈은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
   $R_8 = \frac{V_{CM} \times R_7}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.65 V \times 1000 \mathrm{\Omega }}{3.3 V - 1.65 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
8. TLV9002는 레일 투 레일 연산 증폭기이지만, TLV9002의 출력은 공급 레일에서 최대 55mV만 스윙할 수 있습니다. 이 때문에 TLV9002_OUT의 단일 종단 출력은 55mV에서 3.245V(3.19V_pk-pk)로 스윙할 수 있습니다.
9. AMC1302의 V_outp 및 V_OUTN 출력은 2.05V_pk-pk이고, 180도 이상이며, 1.44V의 공통 모드 전압을 가집니다. 따라서 차동 출력은 ±2.05V 또는 4.1V_pk-pk입니다.

   TLV9002_OUT의 출력 제한 내에서 유지하려면 AMC1302의 출력을 3.2/4.1배 감쇠해야 합니다. R₉ = R₁₀ 및 R₁₁ = R₁₂인 경우, 차동에서 단일 종단 단계로의 다음 전송 기능을 사용하여 R₁₁ 및 R₁₂를 계산할 수 있습니다.

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\mathrm{ }\left({\mathrm{V}}_{OUTP}-{\mathrm{V}}_{OUTN}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{9,10}}}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}\mathrm{ }$
10. TLV9002_OUT의 이전에 계산된 출력 스윙을 사용하고 R₉ 및 R₁₀을 10kΩ으로 설정하면, R₁₁ 및 R₁₂는 다음 방정식을 사용하여 7.8kΩ으로 계산할 수 있습니다.
    $3.2=\mathrm{ }\left(2.465\mathrm{V}-415\mathrm{m}\mathrm{V}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{10k\mathrm{\Omega }}\right)+1.65$

    표준 0.1% 저항 값을 사용하면 7.8kΩ 저항을 사용할 수 있습니다. 이는 TLV9002의 제한 내에서 최대 출력 스윙을 제공합니다.

11. 커패시터 C₁과 C₂를 저항 R₁₁ 및 R₁₂와 병렬로 배치하여 고주파 신호를 제한합니다. R₁₁ = R₁₂이고 C₁ = C₂일 때 차단 주파수는 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{1,2}}}$

    C₁ = C₂ = 1nF이고 R₁₁ = R₁₂ = 7800Ω일 때 차단 주파수는 20.414kHz로 계산할 수 있습니다.

    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 7800\mathrm{\Omega }\times 1\mathrm{n}\mathrm{F}}=20.414\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}$

DC 시뮬레이션 결과

시뮬레이션 결과는 션트 전체 전압의 시뮬레이션된 DC 특성, AMC1302의 차동 입력/출력, -10A에서 10A까지 TLV9002 증폭기의 단일 종단 출력을 보여줍니다.

시뮬레이션 결과

단락 이벤트 시뮬레이션은 입력과 출력이 ±200A에서 어떻게 반응하는지 시연하여 단락 이벤트 중 회로를 시뮬레이션합니다. 그래프에서 빨간색과 파란색 선은 AMC1302의 출력이 클리핑을 시작하는 지점을 표시합니다. 이 지점에서 회로의 목적은 단락 이벤트 후 작동을 계속하는 것입니다. 설계 단계 섹션에서 이 이벤트 중에 손상을 피하기 위해 AMC1302 고압측의 게인 및 션트 저항 값을 선택했습니다. 다음 시뮬레이션에서 선택한 이 값을 검증합니다. 단락 이벤트 시 AMC1302에 들어가는 최대 입력 전압은 ±1V로, 부품의 최대 정격 절대값보다 낮습니다. 따라서 시뮬레이션에서 단락 이벤트 이후에도 회로가 계속 작동하는 것을 확인할 수 있습니다.

단락 이벤트 시뮬레이션

사인파 시뮬레이션 결과

사인파 시뮬레이션은 -10A~10A 진폭의 사인파에 대한 응답인 션트의 출력, AMC1302의 차동 입력 및 출력, TLV9002의 단일 종단 출력을 보여줍니다. AMC1302의 차동 출력은 예상한 대로 ±2.05V_pk-pk이며 단일 종단 출력은 3.19V_pk-pk이고 스윙은 55mV~3.245V입니다.

사인파 시뮬레이션

주요 절연 증폭기 설계

대체 절연 증폭기 설계