AMC1100采用全差分隔離放大器的隔離式電流與電壓測量
加入技術(shù)交流群
簡(jiǎn)介
本文演示如何使用基于 AMC1100 的模擬前端 (AFE) 測量電壓和電流。 介紹了采用輸入到輸出隔離配置測量電壓輸入以及采用通道間隔離配置測量電流輸入的方法。
AMC1100 - 全差分隔離放大器
AMC1100 是一款精密隔離放大器，通過(guò)高磁場(chǎng)抗擾度的二氧化硅 (SiO2) 隔柵將輸出與輸入電路隔離。 根據 UL1577 和 IEC60747-5-2 標準，該隔離柵經(jīng)認證可提供高達 4250 VPEAK 的電流隔離。 當與隔離式電源配合使用時(shí)，該器件可防止共模高電壓線(xiàn)路上的噪聲電流進(jìn)入本地接地并干擾或損壞敏感電路。
電壓與電流測量：
? 基于 AMC1100 固定增益全差分放大器的通道間隔離式電流輸入和分組隔離式電壓輸入
? 為 ADS131E08 多通道同步采樣 24 位 Δ-Σ 模數轉換器 (ADC) 提供接口并提供評估模塊 (EVM)，以供性能測試使用
? 用于三路電流輸入的板載分流器以及用于三路電壓輸入的分壓器
? 低側電源電壓可配置為 3.3V 或 5V
? 在電流和電壓輸入的 5% 至 100% 滿(mǎn)量程（175mV RMS）范圍內
? 滿(mǎn)足 <0.5% 精度
? 使用 SN6501 變壓器驅動(dòng)器生成隔離式電源
? 可在 AMC1100 低側電源電壓配置為 3.3V 時(shí)與微控制器 (MCU) 相連
? 特色應用
? 便攜式和高級電能質(zhì)量分析儀
? 保護繼電器、智能電子設備 (IED) 和故障記錄器
系統說(shuō)明
電網(wǎng)基礎設施應用包括保護、控制和監視系統。 電網(wǎng)基礎設施終端應用包括多功能保護繼電器、變壓器和電機監視系統以及電能質(zhì)量分析儀等。 這些系統可以安裝于機架中（交流市電供電），也可以是便攜式設備（電池供電）。便攜式系統要求通過(guò)彼此獨立且完全隔離電流的通道來(lái)測量交流-直流電壓和電流輸入。
保護繼電器是可從電流互感器 (CT) 和電壓互感器 (VT) 二次側接收模擬信號的智能電子設備。 繼電器可檢測受保護單元是否處于超負荷狀態(tài)。 必要時(shí)，保護繼電器會(huì )向斷路器發(fā)送給一個(gè)跳閘信號，以斷開(kāi)故障組件與電力系統間的連接。 保護繼電器可按受保護設備類(lèi)型（例如發(fā)電機、傳輸線(xiàn)路、變壓器和負載）進(jìn)行分類(lèi)。
AMC1100 輸入電路進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，可以直接連接到 Shunt 電阻或其它低壓電平信號。 此器件的出色性能可實(shí)現電能計量應用中的精準電流和電壓測量。 輸出信號共模電壓自動(dòng)和 3.3V 或 5V 低側電源電壓匹配。
AMC1100 在 –40°C 至 +105°C 的擴展工業(yè)溫度范圍內完全額定運行。 本設計采用 gullwing-8 (DUB) 封裝。 下面的圖 1 給出了 AMC1100 功能框圖。
圖 1. AMC1100 功能框圖
精確測量電流和電壓是保護繼電器的一項關(guān)鍵功能要求。
電壓通過(guò)電壓互感器或分壓器（分壓器中應用多個(gè)串聯(lián)電阻）進(jìn)行測量。 與電壓互感器相比，使用分壓器可減小電路板尺寸并改善線(xiàn)性性能。 但電壓互感器可以提供隔離，這也是基于分壓器的電壓測量的局限性所在。 系統需要進(jìn)行電壓隔離才能夠符合安全標準。
電流互感器常用于電流測量。 與電壓輸入相比，電流輸入的動(dòng)態(tài)范圍更寬。 系統性能取決于所用電流互感器的類(lèi)型。
使用 CT 的優(yōu)勢在于可提供電流隔離、低功耗并且不受共模噪聲輸入的影響。 而使用 CT 的劣勢則是體積和成本會(huì )隨著(zhù)精度要求的提高而增長(cháng)。 如果 CT 體積過(guò)大，會(huì )對需要測量多條通道的多功能保護繼電器平臺產(chǎn)生不利影響。 外部磁場(chǎng)也會(huì )影響 CT 的性能，因為它們會(huì )在有大電流流經(jīng)的故障狀態(tài)下使 CT 發(fā)生飽和。持續暴露于磁場(chǎng)之下或頻繁超負荷運行會(huì )縮短 CT 的使用壽命。 基于CT的這些缺點(diǎn)，可使用分流器替代 CT 進(jìn)行電流測量。 分流器是由 Manganin? 合金制成的廉價(jià)金屬片。 分流性能滿(mǎn)足前文提到的大部分要求。只使用分流器的局限性在于無(wú)法提供三相應用中所需的隔離。
電壓測量輸入到輸出隔離
表1 電壓測量
參數 | 說(shuō)明 |
提供輸入到輸出隔離的電壓輸入 | 三個(gè)全差分隔離放大器用于測量三相電壓輸入。 |
提供輸入到輸出隔離的電源 | 一個(gè)直流-直流轉換器用于生成隔離式電源。 該電源與高電壓側的全部三個(gè)隔離放大器相連。 |
接地基準 | 這是一種分組隔離式基準，意味著(zhù)所有放大器共用一個(gè)公共的接地基準。 |
表 2. 電流測量
參數 | 說(shuō)明 |
提供通道間隔離的電流輸入 | 三個(gè)全差分隔離放大器用于測量三相電流輸入。 |
提供通道間隔離的電源 | 三個(gè)獨立的直流-直流轉換器用于生成高電壓側電源。 |
接地基準 | 各電流輸入具有各自的基準。 各基準均與所有其他電路相隔離。 |
ADC 接口
下列內容詳細介紹了將隔離放大器連接到 ADC 的步驟：
共模直流輸出的隔離放大器：用戶(hù)可將隔離放大器配置為 1.3V 或 2.5V 直流共模輸出，輸出端使用 3V或 5V 低側電源。
ADS131E08 Δ-Σ ADC 的接口：可將放大器輸出與 TI Δ-Σ 調制器相連。 使用 ADS131E08 器件時(shí)，將共模電壓配置為 2.5V。
MCU 接口：已提供帶有 12 位差分輸入的板載 MCU。 使用 MCU 時(shí)，將共模電壓配置為 1.29V。
主要系統技術(shù)規格
表 3. 設計要求
序號 | 參數 | 規范 |
1 | 隔離式電流輸入（帶有板載分流器） | 三個(gè) |
2 | 隔離式電壓輸入（帶有板載分壓器） | 三個(gè) |
3 | 測量頻率 | 直流、50Hz 和 60Hz |
4 | 電流測量精度 | < ±0.5%（在 AMC1100 輸入滿(mǎn)量程的 5% 至 100% 范圍內） |
5 | 電壓測量精度 | < ±0.5%（在 AMC1100 輸入滿(mǎn)量程的 5% 至 100% 范圍內） |
6 | 放大器輸出接口 – 選項 1（輸出共模電壓設為 2.55V （典型值）） | 連接至 ADS131E08 |
7 | 放大器輸出接口 – 選項 2（輸出共模電壓設為 1.29V （典型值）） | MSP430FR5869 |
8 | 直流電源輸入 | 5V DC |
9 | 電源 | 隔離式 5V 和 –5V；非隔離式 3.3V |
10 | 可選輸出信號共模電壓 | 5V ADC 或 3.3V 低側電源可供選擇 |
AMC1100 通過(guò) VDD2（低側電源）提供可配置輸出共模電壓。
表 4. 可配置輸出共模電壓
參數 | 測試條件 | 最小值 典型值 最大值 | 單位 |
輸出共模電壓 | 2.7V ≤ VDD2 ≤ 3.6V | 1.15 1.29 1.45 | V |
4.5V ≤ VDD2 ≤ 5.5V | 2.4 2.55 2.7 |
ADC 的輸入范圍可以是 0V 至 2.5V 或者 0V 至 5V。
ADS131E08EVM-PDK AVCC 值最高可達 5V。當與 ADS131E08EVM-PDK 相連時(shí)，AMC1100 VDD2 必須設置為 5V。
MSP430FR5869 的電源電壓 AVCC 為 3.3V。當與 MSP430FR5869 相連時(shí)，AMC1100 VDD2 必須設置為3.3V。
*博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。
矢量控制相關(guān)文章:矢量控制原理
