設計目標

設計の説明

この回路は、ISO224 絶縁アンプおよび分圧回路を利用して、±480V の絶縁電圧センシング測定を行います。分圧回路により、±480V の電圧が ISO224 の入力範囲と一致する ±12V に降圧されます。ISO224 は、高電位側と低電位側の 2 つの電源から給電されます。一般に、高電位側の電源はフローティング電源を使用するか、または絶縁トランスや絶縁 DC/DC コンバータにより低電位側から生成します。ISO224 は ±12V のシングルエンド信号を ⅓V/V の固定ゲインで測定でき、VDD2/2 の出力同相電圧で ±4V 絶縁差動出力電圧を生成します。この差動出力電圧は、TLV6001 などのオペアンプ (SBOA274 参照) を追加して ADC と接続することで、必要に応じてスケーリングできます。

デザイン ノート

1. システムが、目的の入力信号範囲について線形動作することを確認します。これは、「DC 伝達特性」セクションで、シミュレーションにより検証しています。
2. 抵抗分圧回路 (R₁～R₅) に使用する抵抗が、電圧源から供給される電力を放熱できることを確認します。
3. ISO224 の入力電圧が、データシートの絶対最大定格表の記載に従って ±15V 未満であり、入力に印加されるのが ±10mA 未満であることを確認します。システムが過渡に対して敏感な場合、入力に TVS ダイオードの追加を検討します。詳細については、『ISO224 ±12V のシングルエンド入力と ±4V の差動出力を持つ強化絶縁アンプ』データシートにある、「入力クランプ保護回路の I-V 曲線」画像を参照してください。

設計手順

1. 分圧回路について、電圧源から ISO224 の入力への比率を計算します。
   $\frac{{12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224,\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{P}\mathrm{U}\mathrm{T}}}{480\mathrm{V}}=0.025$
2. ISO224 の標準入力インピーダンスは 1.25MΩ です。このインピーダンスは抵抗 R₅ と並列になるので、分圧回路の設計時に考慮する必要があります。R₁、R₂、R₃、および R₄ に 1MΩ の抵抗を選択します。前の手順で得られた比率と、次に示す分圧器の式を使用して、R₅ と ISO224 の入力インピーダンスの分圧器の並列組み合わせ ( || ) に必要な等価抵抗を求めます。
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{{\mathrm{R}}_3{+\mathrm{R}}_4+{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   ${{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}=102564\mathrm{\Omega }={\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}$
3. ISO224 の入力インピーダンスに 1.25MΩ を代入し、次の式を使用して R₅ を求めます。アナログ技術者向けカリキュレータを使用して、R₅ の最も近い標準値を決定します。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=102564\mathrm{\Omega }=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{{\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}$
   $102564\mathrm{\Omega }\left({\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }\right)={\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_5=111.73\mathrm{k}\mathrm{\Omega };\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{e}=111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
4. 等価抵抗が、手順 2 で計算された抵抗の値と近いことを確認します。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
5. 分圧回路が、妥当な許容誤差範囲内であることを確認します。次の計算で、ISO224 の入力抵抗が標準値の 1.25MΩ と想定すると、誤差は 0.6% と算出されます。しかし、内部クランプ保護回路の抵抗値の偏差から、入力抵抗はデバイスごとに異なるということを検討することが重要です。最小入力抵抗の 1MΩ を使用して同じ計算を行うと、誤差は 2.5% になります。この誤差範囲が許容範囲外の場合、較正を行うか、分圧回路の抵抗値を低下させる必要があります。
   $\frac{101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{4.101947\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=0.02485$
   $\mathrm{E}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{\%}=\frac{\left|\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}\right|}{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}}\times 100=\frac{\left|0.02485-0.025\right|}{0.025}\times 100=0.6\mathrm{\%}$
6. 電圧源から分圧回路に流れる電流を計算し、消費電力が抵抗の定格を超えないことを確認します。詳細については、「高電圧測定の考慮事項」を参照してください。
   $\mathrm{V}=\mathrm{I}\mathrm{R};\mathrm{ }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{R}}=\frac{480\mathrm{V}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}=117\mathrm{\mu }\mathrm{A}$

DC 伝達特性

次のグラフは、±600V の入力に対する出力のシミュレーション結果を示しています。分圧器のゲインは 1/40 で、ISO224 でさらに ⅓ のゲインにより降圧が行われます。

伝達関数から、システムのゲインは分圧器から 1/40、ISO224 から ⅓ であることが示されます (すなわち、ゲイン V_IN = V_OUT、(1/40) × (⅓) × (480V) = 4V)。

AC 伝達特性

シミュレートされたゲインは -41.58dB (または 0.008337V/V) であり、分圧器と ISO224 で予測されるゲインとほぼ一致しています。

参考資料

1. 『アナログ エンジニア向け回路クックブック』
2. SPICE シミュレーション ファイル：SBAC232
3. TI Precision Designs TIDA-00835
4. TI Precision Labs

設計の代替絶縁型オペアンプ