설계 목표

설계 설명

이 회로는 ISO224 절연 증폭기와 전압 분할기 회로를 활용하여 ±480V, 절연, 전압 감지 측정을 수행합니다. 전압 분할기 회로는 전압을 ±480V에서 ±12V로 줄여 ISO224의 입력 범위에 일치시킵니다. ISO224는 고압측 및 저압측 전원 공급 장치로부터 전원을 공급받습니다. 일반적으로 고압측 공급은 부동 공급을 사용하거나 절연 변압기 또는 절연 DC/DC 컨버터를 사용하여 저압측에서 생성됩니다. ISO224는 ⅓V/V의 고정 게인으로 ±12V 단일 종단 신호를 측정하고 출력 공통 모드 전압이 VDD2 / 2인 ±4V의 절연 차동 출력 전압을 출력할 수 있습니다. SBOA274에 나와 있는 것처럼 TLV6001과 같은 추가 연산 증폭기를 사용하여 필요에 따라 차동 출력 전압을 확장할 수 있습니다.

설계 노트

1. 원하는 입력 신호 범위에 대한 시스템의 선형 작동을 확인하십시오. 이는 DC 전송 특성 섹션의 시뮬레이션을 사용하여 검증됩니다.
2. 저항 분할기 회로(R₁–R₅)에 사용되는 저항이 전압 소스에서 공급되는 전원을 소산할 수 있는지 확인하십시오.
3. 데이터 시트의 절대 최대 정격 값 표에 설명된 대로 ISO224 입력의 전압이 ±15V 미만인지 확인하고 입력 값에 ±10mA 미만이 적용되었는지 확인하십시오. 시스템이 과도 현상에 취약할 경우 입력에 TVS 다이오드를 추가하는 것을 고려해 보십시오. 자세한 내용은 ±12V의 단일 종단 입력과 ±4V 데이터의 차동 출력을 지원하는 ISO224 강화 절연 증폭기의 입력 클램프 보호 회로의 I-V 곡선 이미지를 참조하십시오.

설계 단계

1. 전압 소스부터 전압 분할기 회로에 대한 ISO224의 입력 전압의 비율을 계산합니다.
   $\frac{{12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224,\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{P}\mathrm{U}\mathrm{T}}}{480\mathrm{V}}=0.025$
2. ISO224의 일반적인 입력 임피던스는 1.25MΩ입니다. 이 임피던스는 저항 R₅와 병렬로 연결되어 있으므로, 전압 분할기 회로를 설계할 때 반드시 고려해야 합니다. R₁, R₂, R₃ 및 R₄에 대해 1MΩ 저항을 선택합니다. 이전 단계와 다음 전압 분할기 방정식의 비율을 사용하여 R₅의 전압 분할기 병렬 조합( || )과 ISO224 입력 임피던스에 필요한 등가 저항을 계산합니다.
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{{\mathrm{R}}_3{+\mathrm{R}}_4+{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   ${{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}=102564\mathrm{\Omega }={\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}$
3. ISO224 입력 임피던스의 1.25MΩ을 대입하고 다음 방정식을 사용하여 R₅를 대입합니다. 아날로그 엔지니어의 계산기를 사용하여 R₅에 가장 근접한 표준 값을 결정합니다.
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=102564\mathrm{\Omega }=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{{\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}$
   $102564\mathrm{\Omega }\left({\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }\right)={\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_5=111.73\mathrm{k}\mathrm{\Omega };\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{e}=111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
4. 등가 저항이 2단계에서 계산된 저항과 가까운지 확인합니다.
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
5. 전압 분할기 회로가 합리적인 오차 범위 내에 있는지 확인합니다. 다음 계산의 경우 ISO224의 입력 저항은 일반 값 1.25MΩ으로 가정되며, 그 결과 오류는 0.6%입니다. 그러나 내부 클램프 보호 회로의 저항 변화에 따라 입력 저항이 장치마다 다르다는 것을 고려하는 것이 중요합니다. 최소 입력 저항 1MΩ을 사용하여 동일한 계산을 수행하면 오류가 2.5%입니다. 이 오류 범위가 허용되지 않는 경우 보정을 수행하거나 전압 분할기 회로의 저항을 줄일 수 있습니다.
   $\frac{101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{4.101947\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=0.02485$
   $\mathrm{E}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{\%}=\frac{\left|\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}\right|}{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}}\times 100=\frac{\left|0.02485-0.025\right|}{0.025}\times 100=0.6\mathrm{\%}$
6. 전력 손실이 저항의 정격을 초과하지 않도록 전압 소스에서 전압 분할기 회로를 통해 흐르는 전류를 계산합니다. 자세한 내용은 고전압 측정의 고려 사항을 참조하십시오.
   $\mathrm{V}=\mathrm{I}\mathrm{R};\mathrm{ }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{R}}=\frac{480\mathrm{V}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}=117\mathrm{\mu }\mathrm{A}$

DC 전송 특성

다음 그래프는 ±600V 입력의 시뮬레이션된 출력을 보여줍니다. 전압 분할기는 게인을 1/40까지 확장하며, ISO224는 게인을 추가 ⅓로 확장합니다.

전송 기능은 전압 분할기에서 1/40을 나타내고 ISO224에서 ⅓을 나타냅니다(즉, 게인 × V_IN = V_OUT, (1/40) × (⅓) × (480V) = 4V).

AC 전송 특성

시뮬레이션된 게인은 –41.58dB (또는 0.008337V/V)로, 전압 분할기 및 ISO224의 예상 게인과 거의 일치합니다.

참고 자료

1. 아날로그 엔지니어의 회로 안내서
2. SPICE시뮬레이션 파일 SBAC232
3. TI 정밀 설계 TIDA-00835
4. TI Precision Labs

대체 절연 연산 증폭기 설계