【導讀】隔離調製器廣泛用於需要高精度電流測量和電流隔離的電機/逆變器。隨著電機/逆變器係統向高集成度和高效率轉變
，SiC和GaN FET由於具有更小尺寸
、更高開關頻率和更低發熱量的優勢，而開始取代MOSFET和IGBT。然而
，隔離器件需要具有高CMTI能力，另外還需要更高精度的電流測量。下一代隔離調製器大大提高了CMTI能力，並改善了其本身的精度。

本文首先介紹共模瞬變抗擾度(CMTI)詳細概念及其在係統中的重要性。我們將討論一個新的隔離式Σ-Δ調(tiao)製(zhi)器(qi)係(xi)列(lie)及(ji)其(qi)性(xing)能(neng)，以(yi)及(ji)它(ta)如(ru)何(he)提(ti)高(gao)和(he)增(zeng)強(qiang)係(xi)統(tong)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)，尤(you)其(qi)是(shi)針(zhen)對(dui)失(shi)調(tiao)誤(wu)差(cha)和(he)失(shi)調(tiao)誤(wu)差(cha)漂(piao)移(yi)。最(zui)後(hou)介(jie)紹(shao)推(tui)薦(jian)的(de)電(dian)路(lu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

隔離調製器廣泛用於需要高精度電流測量和電流隔離的電機/逆變器。隨著電機/逆變器係統向高集成度和高效率轉變，SiC和GaN FET由於具有更小尺寸
、更高開關頻率和更低發熱量的優勢
，而開始取代MOSFET和IGBT。然而，隔離器件需要具有高CMTI能力，另外還需要更高精度的電流測量。下一代隔離調製器大大提高了CMTI能力
，並改善了其本身的精度。

什麼是共模瞬變抗擾度？

共(gong)模(mo)瞬(shun)變(bian)抗(kang)擾(rao)度(du)規(gui)定(ding)了(le)應(ying)用(yong)在(zai)絕(jue)緣(yuan)臨(lin)界(jie)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)瞬(shun)變(bian)脈(mai)衝(chong)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)的(de)速(su)率(lv)。如(ru)果(guo)超(chao)過(guo)該(gai)速(su)率(lv)，可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)對(dui)數(shu)據(ju)或(huo)時(shi)鍾(zhong)的(de)損(sun)壞(huai)。脈(mai)衝(chong)的(de)變(bian)化(hua)率(lv)和(he)絕(jue)對(dui)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)都(dou)會(hui)記(ji)錄(lu)。

新的隔離調製器在靜態和動態CMTI條件下進行了測試。靜態測試檢測來自器件的單個位錯誤。動態測試監測濾波後的數據輸出
，以觀察在CMTI脈衝隨機應用中的噪聲性能變化。詳細測試框圖如圖1所示。

圖1. 簡化的CMTI測試框圖

CMTI之所以重要，是因為高壓擺率（高頻）瞬變可能會破壞跨越隔離柵的數據傳輸。了解並測量這些瞬變對器件的影響至關重要。ADI的測試方法基於IEC 60747-17標準，其中涉及磁耦合器的共模瞬變抗擾度(CMTI)測量方法。

如何在平台上測試隔離調製器的CMTI特性

簡化的CMTI測試平台包括如下項目
，如圖1所示：

· VDD1/VDD2的電池電源。

· 高共電壓脈衝發生器。

· 用於監視數據的示波器。

· 用於分析數據的數據采集平台和用於隔離調製器的256倍抽取sinc3濾波器。

· 隔離模塊（通常使用光隔離）。

· 隔離調製器。

靜態和動態CMTI測試使用相同的平台，隻是輸入信號不同。該平台還可用於測試其他隔離產品的CMTI性能。對於隔離調製器
，將一位流數據抽取和濾波後傳輸到電機控製係統中的控製環路中，從而使得動態CMTI測試性能更加全麵和有用。圖2和圖3顯示了不同CMTI水平下的時域和頻域CMTI動態測試性能。從圖2中可以看出
，對於同一隔離調製器，當施加更高VCM瞬變信號時，雜散會變得更大。當VCM瞬變信號超過隔離調製器規格時，時域中會出現非常大的雜散（如圖2c所示）。這在電機控製係統中會帶來嚴重後果，導致很大的扭矩紋波。

圖2. 時域動態CMTI性能

圖3. 頻域動態CMTI性能

圖3顯示了不同頻率瞬變下的FFT域性能（即通過改變瞬變周期來保持VCM瞬變水平）。圖3中的結果表明
，諧波與瞬變頻率高度相關。因此，隔離調製器的CMTI能力越高

，FFT分析中的噪聲水平就越低。與上一代隔離調製器相比

，下一代 ADuM770x器件 將CMTI能力從25 kV/μs提高到150 kV/μs
，極大地改善了係統瞬態抗擾度
，詳見表1中的比較數據。

表1. 主要規格比較

係統級補償和校準技術

在電機控製或逆變器係統中
，電流數據的精度越高，係統就越穩定和高效。失調和增益誤差是ADC中直流誤差的常見來源。圖4顯示了失調和增益誤差如何影響ADC轉(zhuan)換(huan)函(han)數(shu)。這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)會(hui)以(yi)扭(niu)矩(ju)紋(wen)波(bo)或(huo)速(su)度(du)紋(wen)波(bo)的(de)形(xing)式(shi)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)。對(dui)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)係(xi)統(tong)，為(wei)了(le)限(xian)製(zhi)誤(wu)差(cha)影(ying)響(xiang)，可(ke)以(yi)在(zai)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)下(xia)校(xiao)準(zhun)消(xiao)除(chu)這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)。

圖4. ADC轉換函數的失調和增益誤差

fouze

，zhenggewendufanweineideshitiaopiaoyihezengyiwuchahuichengweiwenti，yinweitamengengnanyibuchang。zaiyizhixitongwendudeqingkuangxia，duiyujuyouxianxinghekeyucepiaoyiquxiandezhuanhuanqi，tongguoxiangquxiantianjiabuchangyinziyishishitiaopiaoyiquxianjinkenengpingtan，keyishixianduishitiaohezengyiwuchapiaoyidebuchang（盡管成本高且耗時）。這種補償方法的詳情參見應用筆記 AN-1377。這種方法可以降低 AD7403/AD7405 數據手冊中規定的漂移 值
，失調漂移降低多達30%，增益誤差漂移降低多達90%。當希望改善係統級的失調和增益誤差漂移時，可以將該方法應用於任何其他轉換器件。

如何使用斬波技術

另外還有一種稱為斬波技術的設計
，它對係統設計人員來說更高效
、更方便，而且斬波功能也可以與矽片本身很好地集成，以最大限度地減少失調和增益誤差漂移。斬波方案如圖5所示，在ADC上實施的解決方案是對整個模擬信號鏈進行斬波

，以消除所有失調和低頻誤差。

圖5. 斬波

調製器的差分輸入在輸入多路複用器上交替反相（或斬波），針對斬波的每個相位執行一次ADC轉換（多路複用器切換到0或1狀態）。調製器斬波在輸出多路複用器中反轉，然後將輸出信號送入數字濾波器。

如果Σ-Δ調製器中的失調表示為VOS，則當斬波為0時，輸出為(AIN(+) − AIN(−)) + VOS；當斬波為1時
，輸出為−[(AIN(−) − AIN(+)) + VOS]。誤差電壓VOS通過在數字濾波器中對這兩個結果求平均來消除，得出(AIN (+) − AIN (−))，它等於沒有任何失調項的差分輸入電壓。

最zui新xin的de隔ge離li式shi調tiao製zhi器qi通tong過guo優you化hua內nei部bu模mo擬ni設she計ji和he使shi用yong最zui新xin斬zhan波bo技ji術shu來lai改gai善shan失shi調tiao和he增zeng益yi誤wu差cha相xiang關guan的de性xing能neng
，這zhe極ji大da地di簡jian化hua了le係xi統tong設she計ji並bing減jian少shao了le校xiao準zhun時shi間jian。最zui新xinADuM770x器件具有非常高的隔離度和出色的ADC性能。另外還提供LDO版本
，它可簡化係統的電源設計。

推薦電路和布局設計

電機係統的典型電流測量電路如圖6所suo示shi。雖sui然ran係xi統tong中zhong需xu要yao三san個ge相xiang電dian流liu測ce量liang電dian路lu，但dan框kuang圖tu中zhong隻zhi顯xian示shi了le一yi個ge。其qi他ta兩liang個ge相xiang電dian流liu測ce量liang電dian路lu類lei似si，用yong藍lan色se虛xu線xian表biao示shi。從cong相xiang電dian流liu測ce量liang電dian路lu可ke以yi看kan出chu
，RSHUNT電阻的一側連接到ADuM770x-8的輸入。另一側連接到高壓FET（可以是IGBT或MOSFET）和電機。當高壓FET改變狀態時，總是會出現過壓、欠壓或其他電壓不穩定情況。相應地，RSHUNT電阻的電壓波動會傳遞到ADuM770x-8


，相關數據將在DATA引腳上接收。布局和係統隔離設計可以改善或惡化電壓不穩定情況，從而影響相電流測量精度。

圖6. 電機係統中的典型電流測量電路

推薦的電路設置如圖6所示：

. VDD1/VDD2解耦需要10 μF/100 nF電容，這些電容應放置在盡可能靠近相應引腳的地方。

. 需要一個10 Ω/220 pF RC濾波器。

. 建議使用可選的差分電容來降低分流器的噪聲影響。將該電容放置在靠近IN+/IN–引腳的位置（推薦使用0603封裝）。

. 當數字輸出線路較長時，建議使用82 Ω/33 pF RC濾波器。為了獲得良好的性能，應考慮使用屏蔽雙絞線電纜。

. 如有更高的性能要求，請考慮使用4引腳分流電阻。

為了達到最佳性能
，良好的布局也必不可少。推薦的布局如圖7所示。建議在分流電阻和IN+/IN–輸入引腳之間使用差分對布線，以增強共模抑製能力。10 Ω/220 pF濾波器應盡可能靠近IN+/IN–輸入引腳放置。10 μF/100 nF解耦電容應靠近VDD1/VDD2電源引腳放置。建議將部分地層GND1置於輸入相關電路下方，以提高信號穩定性。對於獨立的GND1線路（顯示為紫色並與差分對走線平行）
，從分流電阻到ADuM770x-8 GND引腳需要采用星形連接，以降低電源電流波動的影響。

圖7. ADuM770x-8電路的推薦PCB布局

結論

最新的ADuM770x隔離式Σ-Δ調製器將CMTI提高到150 kV/μs水平，並改善了溫度漂移性能，這對電流測量應用非常有利。在設計階段使用推薦的電路和布局將很有幫助。

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