借助集成高壓電阻隔離式放大器和調制器提高精度和性能

本應用手冊介紹了用于高壓檢測的全新 AMC038x 器件系列，包括具有集成電阻分壓器的電隔離放大器和調制器，并重點介紹了其優(yōu)勢和常見用例。

簡介

隨著高電壓汽車和工業(yè)設計的發(fā)展，人們對于精確、安全和高能效的電隔離電壓檢測設計的需求日益增長。AMC038x 產品系列是一組隔離式放大器和調制器，具有更高精度、增強集成和更強功能，可滿足這些要求。與使用外部電阻分壓器的傳統(tǒng)設計相比，這些器件采用集成高壓 (HV) 電阻，因此設計尺寸大大減小。要將電壓降至 1V 或 2V 電平，外部高壓電阻分壓器可能尺寸很大且成本高昂。此外，與分立式電阻相比，集成電阻具有非常低的溫度漂移和使用壽命漂移。因此，AMC038x 產品能夠在整個溫度范圍和使用壽命內實現(xiàn)低于 1% 的精度，并且無需校準。

高電壓電阻隔離式放大器和調制器的優(yōu)勢

與使用外部電阻分壓器電壓檢測器件的標準 2V 輸入相比，AMC038x 產品系列具有許多優(yōu)勢，包括提高精度并減小布板空間。

節(jié)省空間

圖 1：節(jié)省布板空間

電流分立式高壓電阻會占用 PCB 上的大部分空間。通常，單個電阻的壓降受限于制造商,由于板級可靠性問題，客戶傾向于選擇尺寸較小的電阻。因此，系統(tǒng)可能需要多達 15 個高壓電阻來降低電壓并維持系統(tǒng)的隔離額定值。相比之下，AMC038x 產品系列將高壓電阻集成到器件中，相當于使設計更簡單、更小巧。這在高壓輸入和下一個最近的引腳之間提供了 8mm 爬電距離和間隙距離。如圖 1 所示，設計尺寸減小了 50% 以上，并大大減少了 BOM 數(shù)量。

集成高壓電阻的溫度漂移和使用壽命漂移更低

除了節(jié)省空間之外，集成高壓電阻分壓器還可提高精度。以往采用外部電阻的設計具有更高的溫度漂移和使用壽命漂移；省去外部電阻可以消除大部分總誤差。更具體地說，外部電阻的溫度漂移會隨時間推移越來越嚴重。通常，外部電阻分壓器在分壓器的上半部分使用高壓電阻，在分壓器的下半部分使用低壓 (LV) 電阻。這些低壓電阻通常具有不同的類型、結構或材料。集成電阻分壓器對上電阻和下電阻使用相同的材料，因此溫度系數(shù)非常低。電阻分壓器的任何剩余誤差隨后都會在生產中得到校準，這實際上完全消除了電阻分壓器誤差?？紤]以下示例：

圖 2：外部電阻設計

圖 3：集成電阻設計

外部電阻最壞情況下的漂移誤差：

集成電阻最壞情況下的漂移誤差：

由于外部電阻可以朝相反方向變化，這相當于總信號鏈誤差的 2/3 以上，額外增加 1%。因此，與高壓集成電阻產品不同，外部電阻設計很難在整個溫度范圍和使用壽命內實現(xiàn)低于 1% 的精度。

精度結果

圖 4：總輸出基準誤差百分比與輸入電壓之間的關系

圖 5：總輸出基準誤差電壓與輸入電壓之間的關系

為了進行說明，圖 4 和圖 5 展示了 AMC038x 器件在整個溫度范圍內的典型精度。這兩張圖表明，AMC038x 在 100V 以上可實現(xiàn)低于 0.4% 的精度，并且無需系統(tǒng)級校準，即可在整個溫度范圍內實現(xiàn) 100V 輸入以下 0.5V 絕對誤差。保存校準例程可降低用于實現(xiàn)精確電壓測量應用的生產成本。

圖 6：MC038x 熱結果：12.5MΩ

此外，AMC0381D10 熱結果證明了該器件系列在極高電壓下的穩(wěn)定性能。在 1000V 下，封裝的 θJA 熱阻為 107°C/W，預計溫升為 8°C，這與實驗室測量結果非常一致。這不僅可以接受，還證實了在較高環(huán)境溫度下的安全性能。

完全集成電阻與附加外部電阻示例

在車載充電器 (OBC) 應用中，精確的電壓測量和溫度范圍內的性能穩(wěn)定至關重要。要使電池在使用數(shù)年后仍可完全充滿電，必須實現(xiàn)電池的完全充電狀態(tài)。Ergo、更高精度和低使用壽命漂移直接有助于這些系統(tǒng)的持續(xù)成功。這些原則也可以擴展到其他混合動力汽車、能源基礎設施和電機驅動應用。

一些應用也可以考慮添加外部電阻來手動調整內部電阻分壓器的增益。這是可行的；但需要注意的是，這會重新引入在使用集成電阻器件時幾乎可以避免的溫度漂移和增益誤差。借助集成電阻，高壓和低壓電阻的增益漂移可以朝同一方向漂移，并在溫度范圍內保持穩(wěn)定，實際微乎其微。當引入一個外部電阻 REXT 時，在最壞情況下，內部電阻和 REXT 的增益漂移會朝相反方向變化并對系統(tǒng)增加二次誤差。例如，如果用戶希望在 1000V 器件上檢測 1200V 電壓，該用戶可以考慮以下演示：

圖 7：增益誤差電阻分壓器變化原理圖

案例 1：在 1000V 器件上檢測 1000V (AMC0381R10)：

對于 1000V 器件：RHV = 12.5MΩ；RSNS = 12.5kΩ。集成電阻容差為 ±20%。高壓和低壓電阻 RHV 和 RSNS 朝相同方向漂移。SNSP 引腳上的標稱電阻分壓器電壓：

SNSP 引腳上的最大電阻分壓器電壓：

輸出基準增益誤差：

如果未能充分擴大滿量程輸入范圍，則會導致失調電壓誤差，進而造成更大的滿量程誤差。有關詳細信息，請參閱隔離式電壓檢測計算器。

案例 2：使用 1000V 器件 (AMC0381R10) 檢測 1200V：

對于 1000V 器件：RHV = 12.5MΩ；RSNS = 12.5kΩ。該設計需要在 SNSP 和 AGND 之間包含一個外部電阻 REXT。這可能會對系統(tǒng)造成二次誤差，因此不建議這樣做。不得超過器件的絕對最大額定值。

集成電阻的容差為 ±20%，外部電阻的容差為 0.1%。在最壞情況下，REXT 的漂移方向可能會與 RHV 和 RSNS 相反。SNSP 引腳上帶外部電阻的標稱電阻分壓器電壓：

SNSP 引腳上帶外部電阻的最大電阻分壓器電壓：

輸出基準增益誤差：

按原樣使用集成電阻器件不會引入任何可測量到的增益漂移。添加一個外部電阻來手動調節(jié)這些器件的增益可能會引入額外誤差，最壞情況下會對總系統(tǒng)誤差增加 3.44% 的增益漂移誤差，因此不建議這樣做。

完全集成電阻與附加外部電阻示例

圖 8：AMC038x 選擇樹

表 1：交流電壓檢測用例

表 2：直流電壓檢測用例

AM038x 器件器具有四個固定比率選項，可提供四個不同的輸入電壓范圍：400V、600V、1000V 和 1600V。這些器件還具有三種不同的輸出類型：差分模擬輸出、單端模擬輸出和數(shù)字位流調制器輸出（圖 8）。這些器件通過雙極輸入選項（表 1）支持交流電壓檢測，通過直流輸入選項（表 2）支持直流電壓檢測。

總結

AMC038x 產品系列尺寸更小、精度更高且易于集成，適用于各種應用的強大設計。集成高壓電阻可實現(xiàn)低于 1% 的行業(yè)領先精度，PCB 設計尺寸減小 50%，并且無需行末校準。這些改進大大提升了這些隔離式放大器和調制器在混合動力汽車、能源基礎設施和電機驅動應用中的適用性。