博通ACPL-C72x系列精密微型隔离放大器的深度剖析

在电子功率转换器的电流传感应用中，像电机驱动和可再生能源系统等领域，隔离放大器起着至关重要的作用。今天就来详细剖析博通的ACPL-C72B、ACPL-C72A和ACPL-C720这三款精密微型隔离放大器。

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产品概述

功能与应用场景

这些隔离放大器专为电子功率转换器中的电流传感而设计，常见于电机驱动和可再生能源系统。在典型的电机驱动应用里，电流通过外部分流电阻，产生的模拟电压降由隔离放大器检测。在光隔离屏障的另一侧，会产生与电流成比例的差分输出电压。

型号与性能特点

• 低功耗设计：ACPL - C72x系列优化为接受±50 - mV的输入电压范围，旨在降低分流电阻上的功率损耗。
• 高精度选项：对于一般应用，推荐使用ACPL - C72A（±1%增益容差）和ACPL - C720（±3%增益容差）；对于高精度应用，则可选用ACPL - C72B（±0.5%增益容差）。
• 出色性能表现：产品采用单5V电源供电，具有65 - dB的高信噪比（SNR），展现出优秀的线性度和动态性能。其高达25 kV/μs的共模瞬态抗扰度，能在高噪声的电机控制环境中精确监测电机电流，实现更平滑的控制。

技术优势

结合了卓越的光耦合技术，ACPL - C72x系列采用了Σ - Δ模数转换器、斩波稳定放大器和全差分电路拓扑结构，具备无与伦比的隔离模式噪声抑制能力、低失调、高增益精度和稳定性。此外，它采用紧凑的、可自动插入的拉伸SO - 8（SSO - 8）封装，符合全球法规安全标准。

产品特性

电气性能

• 高精度：ACPL - C72B的增益精度高达±0.5%，输入失调电压仅0.5 - mV，线性度优异，达到0.03%。
• 高带宽：具有65 - dB的信噪比和200 - kHz的宽带宽，能满足高速信号处理的需求。
• 宽工作范围：供电电压范围为3V至5.5V，工作温度范围为 - 40°C至 + 110°C，适应各种复杂环境。

安全特性

• 高共模瞬态抗扰度：达到25 kV/μs，确保在高噪声环境下稳定工作。
• 安全认证：获得了IEC/EN/DIN EN 60747 - 5 - 5、UL 1577和CSA等多项安全和法规认证，满足不同应用场景的安全要求。

其他特点

• 小巧封装：采用紧凑的自动插入式SSO - 8封装，节省电路板空间。
• 功能安全设计：具备$V_{DD 1}$电源丢失指示功能，适用于功能安全设计。

应用领域

• 电机驱动：在交流和伺服电机驱动中进行电流传感，确保电机的精确控制。
• 可再生能源：用于太阳能逆变器、风力涡轮机逆变器等，提高能源转换效率。
• 工业控制：在工业过程控制和数据采集系统中发挥作用，保障系统的稳定性和可靠性。
• 电源隔离：实现开关电源信号隔离和通用模拟信号隔离，提高电源的安全性和抗干扰能力。

引脚配置与订购信息

引脚配置

引脚编号	符号	描述
1	VDD1	输入侧电源电压（3V至5.5V），相对于GND1
2	VIN+	正输入，推荐±50 mV
3	VIN-	负输入，通常连接到GND1
4	GND1	输入侧接地
5	GND2	输出侧接地
6	VoUT-	负输出
7	VoUT+	正输出
8	VDD2	输出侧电源电压（3V至5.5V），相对于GND2

需要注意的是，应在引脚1和4之间以及引脚5和8之间连接10 - μF和0.1 - μF的旁路电容器。

订购信息

产品编号	选项（符合RoHS标准）	封装	卷带包装	IEC/EC/DIN EN 60747 - 5 - 5	数量
ACPL - C72B	- 000E	拉伸SO - 8		X	每管80个
ACPL - C72A、ACPL - C720	- 500E	X	X	每卷1000个

实际应用中的设计要点

电源与旁路设计

• 电源调节：可使用78L05三端稳压器将栅极驱动电源电压降至5V。为了衰减高频电源噪声或纹波，可以在稳压器的输入侧串联一个电阻或电感，与输入旁路电容器形成低通滤波器。
• 电源获取：隔离放大器的电源通常来自为功率晶体管栅极驱动电路供电的同一电源。若需要专用电源，可在现有变压器上增加额外的绕组，或者使用简单的隔离电源，如线性变压器或高频DC - DC转换器。
• 旁路电容：应在隔离放大器的引脚附近尽可能靠近地放置0.1 - μF的旁路电容器（C2、C4），以应对内部高速数字信号。由于输入电路的开关电容特性，还建议在输入引脚处使用一个47 - nF的旁路电容器（C3），它不仅是抗混叠滤波器的一部分，还能防止高频噪声干扰输入信号，并减少ESD事件引起的瞬态尖峰。

PCB布局设计

• 布局原则：PCB设计应遵循良好的布局实践，如将旁路电容器靠近电源引脚，将输出信号与输入信号分开，使用接地层和电源层等。
• 抗干扰设计：PCB布局会影响ACPL - C72B/C72A/C720的隔离瞬态抗扰度（CMTI），主要是由于输入和输出电路之间的杂散电容耦合。为了获得最佳的CMTI性能，应尽量增大输入和输出侧之间的距离，避免接地层或电源层直接穿过或超出芯片本体。

分流电阻选择

• 电阻特性：分流电阻应具有低电阻、低电感和合理的公差，以最小化功率损耗、减少di/dt引起的电压尖峰并保持电路精度。
• 阻值计算：选择分流电阻的第一步是确定要测量的电流大小。根据电机的额定电流和最大推荐输入电压，可以计算出最大分流电阻值。例如，若电机的最大RMS电流为70 Arms，正常运行时可承受50%的过载，则峰值电流为$70 × 1.414 × 1.5 = 150 Apk$。假设最大输入电压为50 mV，则此时的最大分流电阻约为0.5 mΩ。在过载条件下，最大输入电压为$150 A × 0.5 mΩ = 75 mV$，仍在±80 mV的满量程输入范围内。
• 散热考虑：当分流电阻因大电流产生明显发热时，电阻的温度系数会引入非线性。可通过减小电阻的热阻或使用低温度系数的电阻来最小化这种影响，例如重新布置电阻位置、使用更大的PCB走线或添加散热片。
• 电阻类型：对于四端电流传感电阻，由于采用了Kelvin连接，可以消除引线电阻对测量精度的影响。

连接方式

• 分流电阻连接：通常将$V{IN+}$（引脚2）连接到分流电阻的正端，$V{IN-}$（引脚3）短接到GND1（引脚4），电源返回路径作为分流电阻负端的传感线。这样可以减少负载电流在电阻上产生的噪声干扰。
• 差分输入连接：推荐采用差分输入连接方法（平衡输入模式），以充分发挥ACPL - C72B/C72A/C720的全差分输入结构优势。这种连接方式可以平衡滤波器电阻上的输入电流，抵消噪声干扰。

输出端设计

• 运算放大器选择：外部后置放大器电路中使用的运算放大器应具有足够高的精度，以避免引入显著的失调或失调漂移。一般来说，具有双极输入级的运算放大器比具有JFET或MOSFET输入级的运算放大器表现更好。
• 带宽和压摆率：运算放大器还应具备足够的带宽和压摆率，以确保不影响整个电路的响应速度。
• 滤波电容和增益电阻：后置放大器电路中的一对电容器（C5和C6）形成单极低通滤波器，可独立调整后置放大器的带宽，减少隔离放大器的输出噪声。增益设置电阻的公差应控制在1%或更好，以确保电路的共模抑制比（CMRR）和增益公差。

总结

博通的ACPL - C72x系列精密微型隔离放大器以其高精度、高稳定性和良好的抗干扰能力，在电机驱动、可再生能源等多个领域具有广泛的应用前景。在实际设计应用中，我们需要充分考虑电源与旁路、PCB布局、分流电阻选择、连接方式以及输出端设计等多个方面的因素，以确保放大器能够发挥最佳性能。大家在使用这些放大器时，有没有遇到过一些特殊的问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。