隔离器厂家-RS485隔离器CA-IS3740LB-盛高泰半导体

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下一代隔离Sigma-Delta调制器如何改进系统级电流测量

介绍
本文将首先介绍共模瞬态抗扰度（CMTI）规范及其在系统中的重要性。我们将讨论一种新的隔离sigma-delta调制器系列，它的性能，以及它如何提高和促进系统电流测量精度，特别是偏移误差和偏移误差漂移。最后，将介绍一种推荐的电路解决方案。
隔离调制器广泛应用于需要高精度电流测量和电流隔离的电机/逆变器中。随着电机/逆变器系统的高集成度和高效率革命，SiC和GaN FET因其更小的尺寸、更高的开关频率和更低的散热片优势开始取代MOSFET和IGBT。然而，隔离组件需要高CMTI能力。还需要更高精度的电流测量。下一代隔离调制器较大地提高了CMTI能力并提高了精度。
什么是共模瞬态抗扰度？
共模瞬态抗扰度规定了施加在隔离边界上的瞬态脉冲的上升和下降速率，**过该速率时，时钟或数据被破坏。记录脉冲的变化率和**共模电压（VCM）。
在静态和动态CMTI条件下对新型隔离调制器进行了测试。静态测试检测设备的单位错误。动态测试通过随机应用CMTI脉冲，监测滤波数据输出的噪声性能变化。详细的测试框图如图1所示。
CMTI很重要，因为高转换率（高频）瞬态会破坏通过隔离栅的数据传输。理解和测量这些瞬态的敏感性至关重要。ADI的测试方法基于IEC 60747-17标准，该标准涉及磁耦合器共模瞬态抗扰度（CMTI）的测量方法。
如何在试验台上表征隔离调制器的CMTI？

简化的CMTI测试平台包括以下项目，如图1所示：
●VDD1/VDD2的电池电源。
●一种高公共电压脉冲发生器。
●用来监视数据的示波器。
●用于分析数据的数据采集平台和用于隔离调制器的256抽取sinc3滤波器。
●隔离模块（通常使用光学隔离）。
●隔离调制器。
对于静态和动态CMTI试验，使用相同的平台，但输入信号不同。该平台还可用于测试其他隔离产品的CMTI性能。对于隔离调制器，一位流数据将被抽取和过滤，然后传输到电机控制系统中的控制回路，因此动态CMTI测试性能将更加全面和有用。图2和图3显示了不同CMTI水平下的时域和频域CMTI动态测试性能。从图2中我们可以看到，当为同一隔离调制器添加更高的VCM瞬态信号时，杂散将变得更大。当VCM瞬态信号**过隔离调制器规格时，时域中将出现非常大的杂散（如图2c所示）。这在电机控制系统中使用时会产生严重后果，导致较大的转矩脉动。
图3显示了不同频率瞬态下的FFT域性能（这意味着通过改变瞬态周期来保持VCM瞬态水平）。图3中的结果表明，谐波与瞬态频率高度相关。因此，隔离调制器的CMTI能力越高，FFT分析中的噪声级越低。与上一代隔离调制器相比，下一代ADuM770x器件将CMTI能力从25 kV/μs增加到150 kV/μs，这大大提高了系统的瞬态抗扰度，如表1中的比较数据所示。
系统级补偿与校准技术
在电机控制或逆变器系统中，电流数据的精度越高，系统就越稳定和高效。偏移和增益误差是ADC中常见的直流误差源。图4显示了偏移和增益误差如何影响ADC传递函数。这些误差会导致系统出现转矩脉动或转速脉动。为了限制大多数系统的误差影响，可以在环境温度下校准这些误差。
否则，整个温度范围内的偏移漂移和增益误差是一个问题，因为它们更难补偿。如果系统温度已知，则对于具有线性和可预测漂移轮廓的转换器，通过向轮廓添加补偿因子以使偏移漂移轮廓尽可能平坦，可以实现补偿偏移和增益误差漂移（尽管成本高且耗时）。应用说明AN-1377中描述了该详细补偿方法。这种方法可以将AD7403/AD7405数据表中规定的偏移漂移降低30%，增益误差漂移降低90%，并且当您希望在系统级改善偏移和增益误差漂移时，它可以应用于任何其他转换器组件。
如何使用斩波技术？（加粗）
或者，一种称为斩波技术的设计对于系统设计者来说更为有效和方便，并且斩波功能也可以很好地与硅本身集成，以较小化偏移和增益误差漂移。斩波方案如图5所示，在ADC上实现的解决方案是斩波整个模拟信号链，以消除任何偏移和低频误差。
调制器的差分输入在输入多路复用器处交替反转（或斩波），并对斩波的每个相位执行ADC转换（将mux切换到“0”或“1”状态）。在将输出信号传递到数字滤波器之前，调制器斩波在输出多路复用器中反转。
如果∑-Δ调制器中的偏移量表示为VOS，则输出为（AIN（+）− 艾因(−)) + 当chop为0且输出为−[（艾因）(−) − 当切面为1时，AIN（+））+VOS]。通过在数字滤波器（AIN（+）中对这两个结果求平均值，可以消除误差电压VOS− 艾因(−)), 等于不带任何偏移项的差分输入电压。
较新的隔离调制器通过优化内部模拟设计和使用较新的斩波技术，提高了偏移和增益误差相关性能，较大地简化了系统设计并缩短了校准时间。较新的ADuM770x设备具有较高的隔离级别和较佳的ADC性能。还提供LDO版本，可简化系统的电源设计。
推荐的电路和布局设计（加粗）
电机系统的典型电流测量电路如图6所示。虽然系统中需要三相电流测量电路，但方框图中仅显示了一个。其他两相电流测量电路类似，用蓝色虚线表示。从相位电流测量电路中，我们可以看到RSHUNT电阻器的一侧连接到ADuM770x-8的输入端。另一侧连接到高压FET（可以是IGBT或MOSFET）和电机。当高压FET改变状态时，总是会出现过压、欠压或其他电压不稳定情况。相应地，RSHUNT电阻器的电压波动将传递至ADuM770x-8，相关数据将通过数据引脚接收。布局和系统隔离设计可以改善或降低影响相电流测量精度的电压不稳定条件。

推荐的电路设置如图6所示：
●对于VDD1/VDD2去耦，需要10μF/100 nF盖，且应尽可能靠近相应的引脚。
●需要一个10Ω/220 pF RC滤波器。
●建议使用可选的差动电容器来降低分流器的噪声影响。将电容器靠近IN+/IN–引脚（建议使用0603封装）。
●当数字输出线较长时，建议使用82Ω/33 pF RC滤波器。为了获得良好的性能，应考虑使用屏蔽双绞线电缆。
●对于更高的性能要求，考虑使用4端分流电阻器。
为了达到较佳性能，还需要良好的布局。建议的布局如图7所示。建议从分流电阻器到IN+/IN输入引脚的差分对布线，以增强共模抑制能力。10Ω/220 pF滤波器应尽可能靠近IN+/IN–输入引脚。10μF/100 nF去耦电容器应靠近VDD1/VDD2电源引脚。建议将部分接地板GND1置于输入相关电路下方，以提高信号稳定性。独立的GND1线（显示为紫色，与差分对布线线平行），需要从并联电阻器到ADuM770x-8 GND引脚的星形连接，以减少电源电流波动效应。
结论
较新的ADuM770x隔离sigma-delta调制器将CMTI提高到150 kV/μs水平，并改善温度漂移性能，这大大有利于电流测量应用。在设计阶段，使用推荐的电路和布局将很有帮助。

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