AMC1100采用全差分隔離放大器的隔離式電流與電壓測量
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簡介
本文演示如何使用基于 AMC1100 的模擬前端 (AFE) 測量電壓和電流。 介紹了采用輸入到輸出隔離配置測量電壓輸入以及采用通道間隔離配置測量電流輸入的方法。
AMC1100 - 全差分隔離放大器
AMC1100 是一款精密隔離放大器，通過高磁場抗擾度的二氧化硅 (SiO2) 隔柵將輸出與輸入電路隔離。 根據(jù) UL1577 和 IEC60747-5-2 標(biāo)準(zhǔn)，該隔離柵經(jīng)認(rèn)證可提供高達(dá) 4250 VPEAK 的電流隔離。 當(dāng)與隔離式電源配合使用時，該器件可防止共模高電壓線路上的噪聲電流進(jìn)入本地接地并干擾或損壞敏感電路。
電壓與電流測量：
? 基于 AMC1100 固定增益全差分放大器的通道間隔離式電流輸入和分組隔離式電壓輸入
? 為 ADS131E08 多通道同步采樣 24 位 Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供接口并提供評估模塊 (EVM)，以供性能測試使用
? 用于三路電流輸入的板載分流器以及用于三路電壓輸入的分壓器
? 低側(cè)電源電壓可配置為 3.3V 或 5V
? 在電流和電壓輸入的 5% 至 100% 滿量程（175mV RMS）范圍內(nèi)
? 滿足 <0.5% 精度
? 使用 SN6501 變壓器驅(qū)動器生成隔離式電源
? 可在 AMC1100 低側(cè)電源電壓配置為 3.3V 時與微控制器 (MCU) 相連
? 特色應(yīng)用
? 便攜式和高級電能質(zhì)量分析儀
? 保護(hù)繼電器、智能電子設(shè)備 (IED) 和故障記錄器
系統(tǒng)說明
電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用包括保護(hù)、控制和監(jiān)視系統(tǒng)。 電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施終端應(yīng)用包括多功能保護(hù)繼電器、變壓器和電機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)以及電能質(zhì)量分析儀等。 這些系統(tǒng)可以安裝于機(jī)架中（交流市電供電），也可以是便攜式設(shè)備（電池供電）。便攜式系統(tǒng)要求通過彼此獨立且完全隔離電流的通道來測量交流-直流電壓和電流輸入。
保護(hù)繼電器是可從電流互感器 (CT) 和電壓互感器 (VT) 二次側(cè)接收模擬信號的智能電子設(shè)備。 繼電器可檢測受保護(hù)單元是否處于超負(fù)荷狀態(tài)。 必要時，保護(hù)繼電器會向斷路器發(fā)送給一個跳閘信號，以斷開故障組件與電力系統(tǒng)間的連接。 保護(hù)繼電器可按受保護(hù)設(shè)備類型（例如發(fā)電機(jī)、傳輸線路、變壓器和負(fù)載）進(jìn)行分類。
AMC1100 輸入電路進(jìn)行了專門的優(yōu)化，可以直接連接到 Shunt 電阻或其它低壓電平信號。 此器件的出色性能可實現(xiàn)電能計量應(yīng)用中的精準(zhǔn)電流和電壓測量。 輸出信號共模電壓自動和 3.3V 或 5V 低側(cè)電源電壓匹配。
AMC1100 在 –40°C 至 +105°C 的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍內(nèi)完全額定運行。 本設(shè)計采用 gullwing-8 (DUB) 封裝。 下面的圖 1 給出了 AMC1100 功能框圖。
圖 1. AMC1100 功能框圖
精確測量電流和電壓是保護(hù)繼電器的一項關(guān)鍵功能要求。
電壓通過電壓互感器或分壓器（分壓器中應(yīng)用多個串聯(lián)電阻）進(jìn)行測量。 與電壓互感器相比，使用分壓器可減小電路板尺寸并改善線性性能。 但電壓互感器可以提供隔離，這也是基于分壓器的電壓測量的局限性所在。 系統(tǒng)需要進(jìn)行電壓隔離才能夠符合安全標(biāo)準(zhǔn)。
電流互感器常用于電流測量。 與電壓輸入相比，電流輸入的動態(tài)范圍更寬。 系統(tǒng)性能取決于所用電流互感器的類型。
使用 CT 的優(yōu)勢在于可提供電流隔離、低功耗并且不受共模噪聲輸入的影響。 而使用 CT 的劣勢則是體積和成本會隨著精度要求的提高而增長。 如果 CT 體積過大，會對需要測量多條通道的多功能保護(hù)繼電器平臺產(chǎn)生不利影響。 外部磁場也會影響 CT 的性能，因為它們會在有大電流流經(jīng)的故障狀態(tài)下使 CT 發(fā)生飽和。持續(xù)暴露于磁場之下或頻繁超負(fù)荷運行會縮短 CT 的使用壽命。 基于CT的這些缺點，可使用分流器替代 CT 進(jìn)行電流測量。 分流器是由 Manganin? 合金制成的廉價金屬片。 分流性能滿足前文提到的大部分要求。只使用分流器的局限性在于無法提供三相應(yīng)用中所需的隔離。
電壓測量輸入到輸出隔離
表1 電壓測量
參數(shù) | 說明 |
提供輸入到輸出隔離的電壓輸入 | 三個全差分隔離放大器用于測量三相電壓輸入。 |
提供輸入到輸出隔離的電源 | 一個直流-直流轉(zhuǎn)換器用于生成隔離式電源。 該電源與高電壓側(cè)的全部三個隔離放大器相連。 |
接地基準(zhǔn) | 這是一種分組隔離式基準(zhǔn)，意味著所有放大器共用一個公共的接地基準(zhǔn)。 |
表 2. 電流測量
參數(shù) | 說明 |
提供通道間隔離的電流輸入 | 三個全差分隔離放大器用于測量三相電流輸入。 |
提供通道間隔離的電源 | 三個獨立的直流-直流轉(zhuǎn)換器用于生成高電壓側(cè)電源。 |
接地基準(zhǔn) | 各電流輸入具有各自的基準(zhǔn)。 各基準(zhǔn)均與所有其他電路相隔離。 |
ADC 接口
下列內(nèi)容詳細(xì)介紹了將隔離放大器連接到 ADC 的步驟：
共模直流輸出的隔離放大器：用戶可將隔離放大器配置為 1.3V 或 2.5V 直流共模輸出，輸出端使用 3V或 5V 低側(cè)電源。
ADS131E08 Δ-Σ ADC 的接口：可將放大器輸出與 TI Δ-Σ 調(diào)制器相連。 使用 ADS131E08 器件時，將共模電壓配置為 2.5V。
MCU 接口：已提供帶有 12 位差分輸入的板載 MCU。 使用 MCU 時，將共模電壓配置為 1.29V。
主要系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格
表 3. 設(shè)計要求
序號 | 參數(shù) | 規(guī)范 |
1 | 隔離式電流輸入（帶有板載分流器） | 三個 |
2 | 隔離式電壓輸入（帶有板載分壓器） | 三個 |
3 | 測量頻率 | 直流、50Hz 和 60Hz |
4 | 電流測量精度 | < ±0.5%（在 AMC1100 輸入滿量程的 5% 至 100% 范圍內(nèi)） |
5 | 電壓測量精度 | < ±0.5%（在 AMC1100 輸入滿量程的 5% 至 100% 范圍內(nèi)） |
6 | 放大器輸出接口 – 選項 1（輸出共模電壓設(shè)為 2.55V （典型值）） | 連接至 ADS131E08 |
7 | 放大器輸出接口 – 選項 2（輸出共模電壓設(shè)為 1.29V （典型值）） | MSP430FR5869 |
8 | 直流電源輸入 | 5V DC |
9 | 電源 | 隔離式 5V 和 –5V；非隔離式 3.3V |
10 | 可選輸出信號共模電壓 | 5V ADC 或 3.3V 低側(cè)電源可供選擇 |
AMC1100 通過 VDD2（低側(cè)電源）提供可配置輸出共模電壓。
表 4. 可配置輸出共模電壓
參數(shù) | 測試條件 | 最小值 典型值 最大值 | 單位 |
輸出共模電壓 | 2.7V ≤ VDD2 ≤ 3.6V | 1.15 1.29 1.45 | V |
4.5V ≤ VDD2 ≤ 5.5V | 2.4 2.55 2.7 |
ADC 的輸入范圍可以是 0V 至 2.5V 或者 0V 至 5V。
ADS131E08EVM-PDK AVCC 值最高可達(dá) 5V。當(dāng)與 ADS131E08EVM-PDK 相連時，AMC1100 VDD2 必須設(shè)置為 5V。
MSP430FR5869 的電源電壓 AVCC 為 3.3V。當(dāng)與 MSP430FR5869 相連時，AMC1100 VDD2 必須設(shè)置為3.3V。
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