德州仪器AMC1204的应用指南

电源设计应用

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描述

  摘要

  AMC1204 是一款二阶隔离Delta-Sigma 调制器,由于其出色的直流特性、交流特性及隔离特性,广泛应用在通信电源系统、逆变器、整流器、UPS 及电机控制中,可实现系统电源电压及电流的检测和监控。本文简单介绍了AMC1204 的工作原理,重点讨论输入采样电阻阻抗对AMC1204 转换精度的影响以及调制器输出滤波器的设计。

  1 AMC1204 简介

  AMC1204 是一款二阶隔离Delta-Sigma 调制器。如图1 所示,它使用TI 特有的电容隔离技术,满足UL1577,IEC60747-5-2 及CSA 认证标准,隔离工作电压可达1200Vpeak,瞬间隔离电压达4000Vpeak,共模瞬态抑制在15KV/us 以上。电容隔离器件具有同电感隔离器件相比更高的磁场抗扰性及可靠性,同光耦隔离器件相比更低的功耗等这些显著的优点,同时AMC1204 内部集成了高精度的Delta-Sigma 调制器,电路设计简单,被广泛应用于通信电源系统、逆变器、整流器、UPS 及电机控制等场景。

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  图1 AMC1204 内部示意框图

  AMC1204 具有出色的直流特性,DNL 误差小于1LSB,INL 误差最大为8LSB(-40℃至85℃),失调误差1mV,增益误差小于2%。如果将失调和增益误差校正后,不考虑电源及温度的影响,由ADC 引入的误差仅为0.012%。此外,AMC1204 也表现出了不错的交流特性, SNR 可达88dB,THD 可达-96dB,有效位数ENOB可达14bit(OSR=256,德州仪器 滤波器)。因此,AMC1204 可以满足绝大多数高精度系统的使用要求。图2 是在通信系统电源中的一个检测电压和电流的典型应用电路,该电路使用两片AMC1204 实现对48V 电源的电压监测及负载电流检测,输出数字信号给后端进行处理,不需要额外使用隔离器件,应用电路设计更简单、更可靠。

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  图2 48V 通信电源电压/电流检测电路

  1 外围电路设计对转换精度的影响分析

  在电路设计中,影响AMC1204 转换精度主要是外围电路的电阻取值,尤其在通过电阻分压电路测试电压值的应用场景中。下面分析输入采样电阻对AMC1204 转换精度的影响。

  1.1 输入等效电路及分析

  AMC1204 的输入等效电路如图3 所示,在一个时钟周期内,完成一次采样/放电,输入等效电阻 德州仪器。当AMC1204 的输入时钟频率为5MHz 时,等效阻抗约为50KΩ;当输入时钟频率为20MHz 时,等效阻抗约为12.5KΩ。如果待测信号的阻抗较大,则输入等效阻抗的影响不能忽略,因为这将可能严重影响到ADC 转换的精度。因此,实际使用时,需要根据系统的性能要求,选择满足测量精度的采样电阻值。

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  图3 AMC1204 输入等效电路

  以图4 所示电路为例, 如果不考虑器件输入等效电阻的影响, 输入差分电压理论值为

  德州仪器 。考虑到输入等效电阻, 实际输入差分电压应为德州仪器

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  图4 AMC1204 测试电路

  以德州仪器 为例,则当德州仪器时,由输入等效电阻德州仪器引入的误差约为0.96%;当德州仪器 时,由输入等效电阻德州仪器引入的误差约为0.1%。因此,实际应用时,如果要系统精度达到1%以上,则需要采样电阻的阻抗小于0.01德州仪器,以尽量减小由输入采样电阻引入的误差。

  1.1 电路设计例子

  使用图4 所示电路测量不同输入采样电阻和时钟频率情况下AMC1204 转换精度。实验使用德州仪器作为调制器后端的硬件滤波器,滤波器配置为德州仪器型,过采样率(OSR)设置为256。实验结果如表1 所示。德州仪器是输入电压的目标值,德州仪器是VINP 管脚与VINN 管脚之间电压实测值, 德州仪器 是VINP 管脚与VINN 管脚之间电压理论计算值(考虑到输入阻抗的影响), 德州仪器是由调制器的输出经滤波器后的转换结果。

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  1.1 小结

  以上实验结果可以看出,实测的输入电压值德州仪器与考虑到输入阻抗计算得到的理论值德州仪器基本一致,实验得到的数据与理论分析基本吻合。输入时钟频率直接决定了AMC1204 的输入阻抗,输入采样电阻值相对于AMC1204 的输入阻抗越低,输入采样电阻的影响就会越小。因此,在一些测量电压的应用场景下,如果采样电阻值无法减小,可以使AMC1204 工作在较低的时钟频率以提高输入阻抗,获得较高的转换精度。当然,降低输入时钟频率是以牺牲转换速率为代价的。此外,如果无法通过降低输入时钟频率和输入采样电阻的方式提高精度,还可以通过软件方法对AMC1204 的失调误差和增益误差进行校正,即对表1 中的误差指标进行额外补偿,以提高系统精度,获得最佳的系统性能。

  2 调制器输出滤波的设计

  AMC1204 输出1 比特位宽由0 和1 组成的数据流,数据流中1 的密度与模拟输入电压成正比。当输入电压为250mV 时,输出1 的比例为89.0625%;当输入电压为-250mV 时,输出1 的比例为10.9375%;当输入电压为0mV 时,输出1 的比例为50%。当输入电压从-250mV 到+250mV 之间,AMC1204 的转换性能可以得到保障。为了得到真实的输出数据信息,一般需要在输出后端进行数字滤波处理,实际应用中可以采用以下两种滤波器对输出数据进行处理。

  2.1 移动平均滤波器

  移动平均滤波器比较简单,它是取输入信号的最近的一些值,进行算术平均,相当于一个低通滤波器,滤除高频分量,保留低频分量。在时钟clk 的上升沿,对AMC1204 输出的高脉冲进行计数,计算M 个clk 的上升沿时,对应的高电平脉冲个数N。则,对应的转换结果为(640*N/M-320)mV。平均的项数越多,即M 越大,则得到变化越缓慢的输出信号,但得到的精度也越高。

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  图5 AMC1204 输出数据波形

  需要注意的是,在实际应用中,这种方法必须平均尽可能多的输入信号才能获得比较高的精度。移动平均滤波器实现比较简单,不需要单独增加DSP 或FPGA 即可实现。但是,移动平均滤波器的频域效果较差,滚降较慢,因此,在检测低频信号及对精度要求不高的应用中,可以考虑使用这种方法。但是,对于精度要求比较高的应用中,需要考虑使用性能更好的滤波器,如Sinc 滤波器。

  2.2 Sinc 滤波器

  Sinc滤波器具有良好的频域特性,较低的成本和功耗,延时较低,因此,广泛用作Delta-Sigma DAC 的滤波器。Sinc 滤波器可通过专门的滤波器芯片或者通过FPGA 或DSP 算法来实现。

  AMC1210 是一个4 通道的数字滤波器,芯片输出接口可设置为SPI 接口或者并行接口方式,方便与CPU 进行数据通信。数字滤波器可设置为Sincfast,德州仪器德州仪器 或者德州仪器方式。实际应用时,由于德州仪器滤波器具有更好的低通特性,建议将AMC1210 配置为德州仪器 滤波器,过采样率(OSR)设为256以获得最优的转换结果。

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  图6 AMC1204 与AMC1210 的连接

  此外,也可以通过FPGA 或DSP 来实现Sinc 滤波器算法。滤波器的基本架构如图7 所示。

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  图7 调制器与抽取滤波器的基本架构

  以下是用VHDL 语言实现SINC3 滤波器的一段示例程序。其中,CNR=MCLK/M,M 为抽取率(即过采样率OSR)。

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  图8 德州仪器 数字滤波器架构

  图8 的示例代码:

  library IEEE;

  use IEEE.std_logic_1164.all;

  use IEEE.std_logic_unsigned.all;

  entity FLT is

  port(RESN, MOUT, MCLK, CNR : in std_logic;

  CN5 : out std_logic_vector(23 downto 0));

  end FLT;

  architecture RTL of FLT is

  signal Z1 : std_logic_vector(23 downto 0);

  signal Z2 : std_logic_vector(23 downto 0);

  signal Z3 : std_logic_vector(23 downto 0);

  signal Z4 : std_logic_vector(23 downto 0);

  signal Z5 : std_logic_vector(23 downto 0);

  signal Z6 : std_logic_vector(23 downto 0);

  signal Z7 : std_logic_vector(23 downto 0);

  begin

  process(MCLK, RESN)

  begin

  if RESN = ‘0’ then

  Z1 《= (others =》 ‘0’);

  Z2 《= (others =》 ‘0’);

  Z3 《= (others =》 ‘0’);

  elsif MCLK‘event and MCLK = ’1‘ then

  Z1 《= Z1 + MOUT;

  Z2 《= Z2 + Z1;

  Z3 《= Z3 + Z2;

  end if;

  end process;

  process(CNR, RESN)

  begin

  if RESN = ’0‘ then

  Z4 《= (others =》 ’0‘);

  Z5 《= (others =》 ’0‘);

  Z6 《= (others =》 ’0‘);

  Z7 《= (others =》 ’0‘);

  elsif CNR’event and CNR = ‘1’ then

  Z4 《= Z3;

  Z5 《= Z3 - Z4;

  Z6 《= Z3 - Z4 - Z5;

  Z7 《= Z3 - Z4 - Z5 - Z6;

  end if;

  end process;

  CN5 《= Z7;

  end RTL;

  3 结论

  应用高性能隔离Delta-Sigma调制器AMC1204时,为了确保转换精度,需要注意外围输入电路的设计,选择合适的输入采样电阻以及时钟频率,使得输入采样电阻阻值相对于输入等效阻抗尽量小,以此降低输入电阻引起的转换误差;同时选择合适的输出滤波器,以满足整个系统对测量精度的要求。

  4 Reference

  [1] AMC1204 datasheet

  [2] AMC1210 datasheet

 

 

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