測量高電壓上的小信號，避免傳感器接地回路

設(shè)計(jì)人員通常需要在存在高共模電壓的情況下測量小電壓，尤其是在使用電源和電機(jī)驅(qū)動器時(shí)。這與使用傳感器時(shí)的接地環(huán)路問題有關(guān)，因?yàn)檫@兩個(gè)問題都可以通過有效使用隔離放大器來解決。

隔離放大器在其輸入和輸出之間提供電流隔離，因此它們僅傳輸所需的信號并消除高共模電壓。在基于傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)中，它們保持傳感器之間的接地隔離，以消除接地回路。它們常見于電源、電機(jī)控制器、遠(yuǎn)程電壓檢測、生物醫(yī)學(xué)測量和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。

為了解釋隔離放大器的工作原理以及如何有效地應(yīng)用它們，本文將介紹一種需要隔離的典型場景，然后再討論三種常見的隔離方法;變壓器耦合、光耦合和電容耦合。在此過程中，它將介紹每種方法的實(shí)用解決方案，并使用參考設(shè)計(jì)的最終示例。

現(xiàn)代電源和電機(jī)驅(qū)動器需要在存在高共模電壓的情況下測量小信號。設(shè)計(jì)人員如何使用 FET 偏置超過 300 V 的電阻分流器測量推挽式 FET 功率驅(qū)動器的負(fù)載電流（圖 1a）？

圖 1：在存在高共模電壓 （a） 的情況下測量小壓降和消除接地環(huán)路 （b） 是需要隔離的常見電路應(yīng)用。

上部（a）電路是用于控制電機(jī)或電機(jī)相位的典型功率驅(qū)動器。它通過改變脈沖波形對負(fù)載的占空比來控制功率。電源電壓（HV+ 和 HV-）約為數(shù)百伏。分流電阻兩端的電流檢測電壓，R分流，大約是 10 毫伏，但它依賴于在 HV+ 和 HV- 之間擺動的脈沖波形。將此電壓施加到接地儀表或電流檢測放大器的輸入端將超過共模電壓限值，并可能損壞器件。

同樣，設(shè)計(jì)人員如何測量多個(gè)電池堆疊頂部單個(gè)太陽能電池的電壓輸出？一旦共模電壓超過80伏，就需要一些電氣隔離手段將所需信號與其分離。

還要考慮如何將電路與接地環(huán)路問題隔離的問題（圖 1 b）。信號使用同軸電纜從左側(cè)的****源連接到右側(cè)的接收器。來自其他電路的雜散接地電流可能會找到通過連接兩個(gè)接地的同軸屏蔽的返回路徑。它們在電纜屏蔽串聯(lián)阻抗上產(chǎn)生電壓，導(dǎo)致 VG2 與 V 不同G1、導(dǎo)致接收端輸入端出現(xiàn)錯(cuò)誤。

這兩種應(yīng)用都需要能夠隔離信號連接。解決方案在于隔離放大器，隔離放大器在其輸入和輸出之間提供電流隔離。它們僅傳輸所需的信號，并消除高共模電壓。它們用于消除系統(tǒng)中的接地回路，保持電路元件之間的接地隔離。

隔離放大器是在其輸入和輸出電路（包括其相關(guān)電源）之間電隔離的放大器。這確保了輸入和輸出部分之間沒有導(dǎo)電路徑。它們在截面之間具有極低的泄漏，以及高介電擊穿電壓規(guī)格。輸入級是一個(gè)差分放大器，用于衰減共模電壓。它可以做到這一點(diǎn)，因?yàn)檩斎氡舜嗽谝环詢?nèi)，并且放大器是浮動的，而不是參考地。通過精心設(shè)計(jì)和布局，可以最大限度地減少部分之間的雜散電容耦合，這可以減少隔離。各部分之間的隔離由變壓器、電容或光耦合提供（圖 2）。這些耦合方法通常會阻塞信號的直流和低頻分量。通過使用輸入信號調(diào)制載波并傳輸通過器件輸出側(cè)解調(diào)恢復(fù)的完整信號頻譜，可以避免這一缺點(diǎn)。輸入側(cè)和輸出側(cè)均使用隔離電源。

圖 2：通用隔離放大器，顯示了三種常用的隔離方法，包括變壓器、電容或光耦合器。

所使用的調(diào)制技術(shù)取決于器件，但經(jīng)常使用頻率、脈沖寬度或Σ-Δ調(diào)制。Σ-Δ調(diào)制是最常見的。輸入為差分，輸出配置可以是單端或差分。請注意，隔離放大器的輸入和輸出部分具有單獨(dú)的電源連接。通常，輸入部分使用不以地為參考的“浮動”電源。保持良好的隔離要求電源隔離良好。

施加的輸入和輸出之間最大電壓差的隔離放大器額定值通常針對持續(xù)的直流和交流電壓進(jìn)行指定。瞬態(tài)的最大施加電壓與瞬態(tài)條件的時(shí)序分開指定。只要物理布局保持器件輸入和輸出引腳之間的建議間距，這些規(guī)格就適用，數(shù)據(jù)手冊中對此進(jìn)行了仔細(xì)說明。

從歷史上看，變壓器耦合隔離是隔離電路的最古老方法。ADI公司的AD202JY是一款磁耦合隔離放大器（圖3）。

圖 3：ADI AD202JY 使用變壓器耦合，采用 1000 V 單非隔離電源實(shí)現(xiàn) 15 V 直流隔離。

AD202JY的最大隔離電壓額定值為750 V RMS AC（60 Hz）和1000 V DC，外加連續(xù)交流。它使用雙變壓器，其中第一個(gè)用于信號路徑。第二個(gè)將25 kHz載波從輸出端耦合到輸入側(cè)，是調(diào)制器的載波。它還用于為輸入部分生成雙隔離電源輸出。這滿足了對單獨(dú)隔離電源的需求。

放大器的增益可由用戶設(shè)置在 1 至 100 V/V 之間，其全功率帶寬為 5 kHz。輸出級是能夠提供 ±5 V 電壓的無緩沖差分輸出。

光耦合是在隔離放大器的輸入和輸出之間提供隔離的另一種可能性。隔離放大器的輸入部分驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），輸出部分的光電晶體管從中吸收光（圖4）。該鏈路完全是光學(xué)的，LED和光電晶體管之間沒有電氣連接。

圖 4：ACPL790X 隔離放大器系列的功能圖顯示了使用光鏈路在輸入和輸出之間提供電氣隔離。

ACPL790 系列隔離放大器將出色的光耦合與 Σ-Δ 轉(zhuǎn)換器技術(shù)和斬波穩(wěn)定放大器相結(jié)合，提供高壓隔離、差分輸出和 200 kHz 帶寬。它具有 IEC/EN/DIN EN60747-5-5 工作絕緣電壓，為 891 伏（峰值）。該系列中有三種產(chǎn)品的精度規(guī)格不同。ACPL-7900 提供 3% 的精度;ACPL-790A 的精度為 1%;ACPL-790B 的精度為 0.5%。

 AMC1301 隔離放大器代表了獲得隔離的第三種方法，即電容耦合（圖 5）。

圖 5：AMC1301 在其增強(qiáng)型隔離柵的每個(gè)支路中使用兩個(gè)串聯(lián)電容器來提供容性隔離。

AMC1301 是一款差分輸出隔離放大器，隔離電壓額定值為 1500 V（峰值）。隔離放大器的輸入級由驅(qū)動Δ-Σ調(diào)制器的差分放大器組成。隔離時(shí)鐘（載波）在內(nèi)部派生。****（TX）驅(qū)動器通過雙電容隔離柵傳輸數(shù)據(jù)。接收到的調(diào)制數(shù)據(jù)在低端與時(shí)鐘進(jìn)行解調(diào)和同步，并作為差分信號輸出。AMC1301 具有 8.2 的固定增益和 200 kHz（典型值）的標(biāo)稱帶寬。

與前面的討論一樣，AMC1301 的輸入側(cè)和輸出側(cè)需要隔離電源。

隔離放大器輸入和輸出之間的隔離可用于斷開接地環(huán)路，如圖1b所示。通過將隔離放大器放置在****和接收器之間，它們之間通過同軸電纜的接地連接斷開，并且它們之間沒有直接的接地路徑（圖 6）。

圖 6：在****和接收器之間插入隔離放大器消除了由于原始同軸電纜連接而導(dǎo)致的接地環(huán)路。

隔離放大器無論是基于磁性、光學(xué)還是電容耦合，都是測量高共模電壓上的小信號或隔離電路接地以消除帶寬高達(dá)200 kHz系統(tǒng)中接地環(huán)路的有用工具。它們常見于電源、電機(jī)控制器、遠(yuǎn)程電壓檢測、生物醫(yī)學(xué)測量和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。