설계 설명

이 회로는 ISO224 절연 증폭기, TLV9002 연산 증폭기 및 ADS7142 SAR ADC를 사용하여 ±12V 절연 전압 센서 측정을 수행합니다. ISO224는 ⅓V/V의 고정 게인으로 ±12V 단일 종단 신호를 측정하고 출력 공통 모드 전압이 VDD2 / 2인 ±4V의 절연 차동 출력 전압을 출력할 수 있습니다. TLV9002의 채널 1은 ISO224의 출력을 ADS7142의 입력 범위에 맞게 조절하고, 채널 2는 ISO224 고장 안전 출력을 모니터링합니다. ADS7142는 1.65V~3.6V 범위의 AVDD의 최대 눈금 입력 및 레퍼런스 전압을 지원하는 듀얼 채널 ADC입니다. 이 안내서 회로의 ADS7142 듀얼 채널 입력은 ISO224로 양극 및 음극 신호를 모두 측정할 수 있는 의사 차동 구성에 사용됩니다. 이 회로는 트레인 제어 및 관리 시스템, 아날로그 입력 모듈, 인버터 및 모터 제어와 같은 여러 고전압 산업용 애플리케이션에 적용됩니다. 이 설계의 부품 선택에 대한 방정식 및 설명은 완제품의 요구 사항 및 시스템 사양을 기준으로 사용자 지정할 수 있습니다.

사양

설계 노트

1. ISO224는 넓은 입력 범위, 유연한 전원 구성 및 높은 정확도로 인해 선택되었습니다.
2. ADS7142는 초저전력, 높은 수준의 통합, 유연한 전원 구성, 작은 크기로 인해 선택되었습니다.
3. 비용 최적화, 구성 옵션, 작은 크기를 위해 TLV9002 연산 증폭기를 선택했습니다.
4. 낮은 임피던스, AVDD, V_CM을 위한 저잡음 소스 및 의사 차동 입력을 ADC의 공통 모드 전압을 설정하는 AINN으로 선택합니다.
5. ADC 최대 눈금 범위 및 공통 모드 사양을 찾아보세요. 이 내용은 부품 선택에서 설명합니다.
6. C_FILT용 COG 커패시터를 선택하여 왜곡을 최소화하십시오.
7. 최적의 성능을 위해 R_FILT1,2 이상용 0.1% 20ppm/°C 필름 저항을 사용하 왜곡을 최소화하는 것이 좋습니다.
8. ADC 시스템에 대한 오프셋 및 게인 이해와 보정에서는 오류 분석 방법을 설명합니다. 게인, 오프셋, 드리프트 및 잡음 오류를 최소화하는 방법에 대한 링크를 검토하십시오.
9. TI Precision Labs - ADC 교육 비디오 시리즈에서는 충전 버킷 회로 R_FILT 및 C_FILT 선택 방법을 설명합니다. 이러한 구성 요소 값은 증폭기 대역폭, 데이터 컨버터 샘플링 속도 및 데이터 컨버터 설계에 따라 달라집니다. 여기에 표시된 값은 이 예제에서 증폭기와 데이터 컨버터에 대해 우수한 안정화 및 AC 성능을 제공합니다. 설계가 수정되면 다른 RC 필터를 선택해야 합니다. 최적의 안정화 및 AC 성능을 위해 RC 필터를 선택하는 방법에 대한 설명은 SAR ADC 프론트 엔드 구성 요소 선택 소개를 참조하십시오.

부품 선택

1. 입력 전압 범위를 기반으로 절연 증폭기를 선택하고 출력 공통 모드 전압 및 출력 전압 범위를 결정합니다.

   ISO224 전원 공급 장치는 고압측 전원 공급 장치의 경우 4.5V~18V, 저압측 전원 공급 장치의 경우 4.5V~5.5V가 됩니다. ISO224는 ±12V 단일 종단 입력 범위와 ⅓V/V의 고정 게인을 지원하므로 이 예제에서는 공통 모드 전압인 VDD2/2, 2.5V에서 ±4V 차동 출력을 제공합니다.

   $\frac{{\pm 12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{l}\mathrm{e}-\mathrm{E}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{d}}}{3}=\pm {4\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T},\mathrm{D}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{f}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}}\mathrm{ }\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{ }2.5\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{D}2}}{2}\right)\mathrm{ }\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{m}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{n}-\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}$
2. 작은 크기와 낮은 전력의 ADC를 선택하세요.

   ADS7142는 의사 차동 구성에 사용할 수 있는 소형 저전력 듀얼 채널 ADC입니다. 최대 입력 범위는 레퍼런스 전압에 의해 설정되며 이 예에서는 AVDD, 3.3V와 동일합니다.

   ${\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{C}}_{\mathrm{F}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{l}-\mathrm{S}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{e}}=\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}=\mathrm{A}\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{D}=3.3\mathrm{V}$

   의사 차동 측정에 필요한 ADC 공통 모드 전압을 찾으세요.

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}}{2}=1.65\mathrm{V}$
3. ISO224의 ±4V 차동, 2.5V 공통 모드 출력을 ADS7142의 3.3V 의사 차동, 1.65V 공통 모드 입력으로 변환할 수 있는 연산 증폭기를 선택합니다. 또한 ISO224의 고장 안전 출력 기능을 모니터링할 수 있는 두 번째 채널이 있는 연산 증폭기를 선택하는 것이 좋습니다.

   TLV9002는 비용에 민감한 소형 애플리케이션에 최적화된 2채널, 레일 투 레일 입력 및 출력 증폭기입니다.

   채널 1은 ISO224의 ±4V 차동, 2.5V 공통 모드 출력을 1.65V 공통 모드 전압을 갖는 3.3V 피크 의사 차동 출력으로 변환하는 데 사용됩니다. R1 = R4 및 R2 = R3인 경우 전송 기능은 다음 방정식에 의해 설정됩니다.

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\mathrm{P}}\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\mathrm{N}}\left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_2}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}$

   신호는 ±4V에서 3.3V로 변환해야 합니다. 즉, 신호가 3.3V/ ± 4V = 3.3V/8V의 배수로 감소되어야 합니다. V_CM을 이전에 계산된 값인 1.65V로 대체하고 R2 및 R3을 10kΩ으로 설정하면 다음과 같은 방정식이 생성됩니다.

   $3.3\mathrm{V}=4\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)+1.65\mathrm{V}\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }0\mathrm{V}=-4\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)+1.65\mathrm{V}$

   R1 및 R4를 풀면 4.125kΩ 값이 생성됩니다.

   이 주제에 대한 추가 정보는 차동 출력(절연) 증폭기를 단일 종단 입력 ADC로 인터페이싱 애플리케이션 요약에서 볼 수 있습니다.

   TLV9002의 채널 2는 ISO224의 고장 안전 출력 기능을 모니터링하는 데 사용됩니다. ISO224 고장 안전 출력 기능은 V_IN 핀의 입력 신호와 별개로 고압측 전원 공급 장치(VDD1)가 누락된 경우 활성 상태가 됩니다. TLV9002 채널 2 출력(VCOMP)은 시스템 컨트롤러의 GPIO 포트에 공급되며, 고장 안전 출력 기능이 활성화될 때마다 높아집니다. 자세한 내용은 고장 안전 출력 기능 애플리케이션 노트를 참조하십시오.

4. 입력 신호 및 140kSPS의 샘플링 속도를 설정하는 데 적합한 R_1FILT, R_2FILT 및 C_FILT를 선택합니다.

   R_FILT 및 C_FILT 값 구체화는 R_FILT 및 C_FILT 선택 방법을 보여주는 TI Precision Labs 동영상입니다. 1.1kΩ 및 330pF의 최종 값은 획득 창 내에서 최하위 비트(LSB)의 ½ 아래에 안정화되는 것으로 입증되었습니다.

과도 ADC 입력 정착 시뮬레이션

다음 시뮬레이션은 수집 시간이 5.3μs인 과도 고정 결과를 보여줍니다. 88μV 잡음은 0.5 × LSB 한계인 403μV 이내입니다. 이 주제에 대한 자세한 이론은 Rfilt 및 Cfilt 값 구체화를 참조하십시오.

주요 파일 링크

절연 설계를 위한 TINA 파일: SBAC226.

주요 장치 설계