AMC1100采用全差分隔离放大器的隔离式电流与电压测量

简介

本文演示如何使用基于 AMC1100 的模拟前端 (AFE) 测量电压和电流。 介绍了采用输入到输出隔离配置测量电压输入以及采用通道间隔离配置测量电流输入的方法。

AMC1100 - 全差分隔离放大器

AMC1100 是一款精密隔离放大器，通过高磁场抗扰度的二氧化硅 (SiO2) 隔栅将输出与输入电路隔离。 根据 UL1577 和 IEC60747-5-2 标准，该隔离栅经认证可提供高达 4250 VPEAK 的电流隔离。 当与隔离式电源配合使用时，该器件可防止共模高电压线路上的噪声电流进入本地接地并干扰或损坏敏感电路。

电压与电流测量：

• 基于 AMC1100 固定增益全差分放大器的通道间隔离式电流输入和分组隔离式电压输入
• 为 ADS131E08 多通道同步采样 24 位 Δ-Σ 模数转换器 (ADC) 提供接口并提供评估模块 (EVM)，以供性能测试使用
• 用于三路电流输入的板载分流器以及用于三路电压输入的分压器
• 低侧电源电压可配置为 3.3V 或 5V
• 在电流和电压输入的 5% 至 100% 满量程（175mV RMS）范围内
• 满足 <0.5% 精度
• 使用 SN6501 变压器驱动器生成隔离式电源
• 可在 AMC1100 低侧电源电压配置为 3.3V 时与微控制器 (MCU) 相连
• 特色应用
• 便携式和高级电能质量分析仪
• 保护继电器、智能电子设备 (IED) 和故障记录器

系统说明

电网基础设施应用包括保护、控制和监视系统。 电网基础设施终端应用包括多功能保护继电器、变压器和电机监视系统以及电能质量分析仪等。 这些系统可以安装于机架中（交流市电供电），也可以是便携式设备（电池供电）。便携式系统要求通过彼此独立且完全隔离电流的通道来测量交流-直流电压和电流输入。

保护继电器是可从电流互感器 (CT) 和电压互感器 (VT) 二次侧接收模拟信号的智能电子设备。 继电器可检测受保护单元是否处于超负荷状态。 必要时，保护继电器会向断路器发送给一个跳闸信号，以断开故障组件与电力系统间的连接。 保护继电器可按受保护设备类型（例如发电机、传输线路、变压器和负载）进行分类。

AMC1100 输入电路进行了专门的优化，可以直接连接到 Shunt 电阻或其它低压电平信号。 此器件的出色性能可实现电能计量应用中的精准电流和电压测量。 输出信号共模电压自动和 3.3V 或 5V 低侧电源电压匹配。

AMC1100 在 –40°C 至 +105°C 的扩展工业温度范围内完全额定运行。 本设计采用 gullwing-8 (DUB) 封装。 下面的图 1 给出了 AMC1100 功能框图。

 

图 1. AMC1100 功能框图

精确测量电流和电压是保护继电器的一项关键功能要求。

电压通过电压互感器或分压器（分压器中应用多个串联电阻）进行测量。 与电压互感器相比，使用分压器可减小电路板尺寸并改善线性性能。 但电压互感器可以提供隔离，这也是基于分压器的电压测量的局限性所在。 系统需要进行电压隔离才能够符合安全标准。

电流互感器常用于电流测量。 与电压输入相比，电流输入的动态范围更宽。 系统性能取决于所用电流互感器的类型。

使用 CT 的优势在于可提供电流隔离、低功耗并且不受共模噪声输入的影响。 而使用 CT 的劣势则是体积和成本会随着精度要求的提高而增长。 如果 CT 体积过大，会对需要测量多条通道的多功能保护继电器平台产生不利影响。 外部磁场也会影响 CT 的性能，因为它们会在有大电流流经的故障状态下使 CT 发生饱和。持续暴露于磁场之下或频繁超负荷运行会缩短 CT 的使用寿命。 基于CT的这些缺点，可使用分流器替代 CT 进行电流测量。 分流器是由 Manganin® 合金制成的廉价金属片。 分流性能满足前文提到的大部分要求。只使用分流器的局限性在于无法提供三相应用中所需的隔离。

电压测量输入到输出隔离

表1 电压测量

参数	说明
提供输入到输出隔离的电压输入	三个全差分隔离放大器用于测量三相电压输入。
提供输入到输出隔离的电源	一个直流-直流转换器用于生成隔离式电源。 该电源与高电压侧的全部三个隔离放大器相连。
接地基准	这是一种分组隔离式基准，意味着所有放大器共用一个公共的接地基准。

表 2. 电流测量

参数	说明
提供通道间隔离的电流输入	三个全差分隔离放大器用于测量三相电流输入。
提供通道间隔离的电源	三个独立的直流-直流转换器用于生成高电压侧电源。
接地基准	各电流输入具有各自的基准。 各基准均与所有其他电路相隔离。

ADC 接口

下列内容详细介绍了将隔离放大器连接到 ADC 的步骤：

共模直流输出的隔离放大器：用户可将隔离放大器配置为 1.3V 或 2.5V 直流共模输出，输出端使用 3V或 5V 低侧电源。

ADS131E08 Δ-Σ ADC 的接口：可将放大器输出与 TI Δ-Σ 调制器相连。 使用 ADS131E08 器件时，将共模电压配置为 2.5V。

MCU 接口：已提供带有 12 位差分输入的板载 MCU。 使用 MCU 时，将共模电压配置为 1.29V。

主要系统技术规格

表 3. 设计要求

序号	参数	规范
1	隔离式电流输入（带有板载分流器）	三个
2	隔离式电压输入（带有板载分压器）	三个
3	测量频率	直流、50Hz 和 60Hz
4	电流测量精度	< ±0.5%（在 AMC1100 输入满量程的 5% 至 100% 范围内）
5	电压测量精度	< ±0.5%（在 AMC1100 输入满量程的 5% 至 100% 范围内）
6	放大器输出接口 – 选项 1（输出共模电压设为 2.55V （典型值））	连接至 ADS131E08
7	放大器输出接口 – 选项 2（输出共模电压设为 1.29V （典型值））	MSP430FR5869
8	直流电源输入	5V DC
9	电源	隔离式 5V 和 –5V；非隔离式 3.3V
10	可选输出信号共模电压	5V ADC 或 3.3V 低侧电源可供选择

隔离测量

AMC1100 通过 VDD2（低侧电源）提供可配置输出共模电压。

表 4. 可配置输出共模电压

参数	测试条件	最小值 典型值 最大值	单位
输出共模电压	2.7V ≤ VDD2 ≤ 3.6V	1.15 1.29 1.45	V
	4.5V ≤ VDD2 ≤ 5.5V	2.4 2.55 2.7

ADC 的输入范围可以是 0V 至 2.5V 或者 0V 至 5V。

ADS131E08EVM-PDK AVCC 值最高可达 5V。当与 ADS131E08EVM-PDK 相连时，AMC1100 VDD2 必须设置为 5V。

MSP430FR5869 的电源电压 AVCC 为 3.3V。当与 MSP430FR5869 相连时，AMC1100 VDD2 必须设置为3.3V。