如何快速構建隔離式高電壓、高電流測量模塊

在工業和通信環境中測試和評估電源系統通常需要進行多重電壓和電流測量。各個電源可能以不同的接地作為基準，可能具有正極或負極，或者可能是浮動的，與其他電源域沒有明確的關系。通常這些場景下，需要使用單獨的浮動萬用表，或者通道彼此隔離的多通道表，但這些計量表通常體積笨重，價格昂貴。

對此，ADI設計出一套簡單易用的隔離電流和電壓測量系統電路（如圖1），可用于工業、電信、儀器儀表和自動化測試設備（ATE）應用。系統具有電氣隔離特性，主控制器和測量接地之間最高可容許+/-250V。該隔離設計包含數字數據和電源域信號；無需從被測量的電路提供額外的電源。

圖1.CN0548功能框圖

電流輸入范圍為+/-10A，可選電壓輸入范圍為16V至80V，可以選擇這些值之間的多個范圍。電壓和電流輸入采用16位分辨率、可調的輸出數據速率和信號帶寬，包括抑制50Hz和60Hz線路噪聲的模式。

該電路兼容Arduino尺寸平臺板，支持1.8V至5V邏輯電壓。與開源固件示例配對時，應用軟件能夠使用libiio庫，通過Linux工業輸入/輸出(IIO)框架輕松與參考設計通信，該庫包括C、C#、MATLAB、Python和LabVIEW的綁定。

評估和設計支持

?      電路評估板

?      CN-0548電路評估板(EVAL-CN0548-ARDZ)

?      ADuCM3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸開發板(EVAL-ADICUP3029)

?      設計和集成文件

?      原理圖、布局文件、物料清單、機械圖、軟件

電路描述

電壓和電流測量連接

可將CN0548配置為支持多種測量情況。電流檢測輸入可以將正極或負極電壓輸入端子，或兩者之間的任何電壓作為基準電壓源，且測量接地與開發平臺和所連接主機的接地隔離。

圖2顯示用于測量一個具有15V接地電源和接地負載的電路的連接。在負載的高端測量負載電流。

圖2.+15V高端電流和電壓測量

圖3顯示用于測量負載低端（接地回路）的負載電流的連接。

圖3.+15V低端電流和電壓測量

圖4顯示用于測量-48V電源的連接，在負載的接地回路上測量電流。

圖4.-48V電壓和電流測量

圖5顯示高端電流測量連接，電源電壓高達250V。電壓測量通道的輸入端可以容許高達+/-250V的電壓，而不造成損壞，輸出將達到飽和，不會產生有效的測量。

圖5.+250V系統電流測量

電壓輸入

LT1997-2精密高壓漏斗放大器內置匹配的電阻網絡，將輸入電壓調節到ADC的輸入電壓范圍內。該器件的增益誤差為0.006%，增益漂移為1ppm/°C?？梢酝ㄟ^對+INA、+INB、+INC、-INA、-INB和-INC輸入進行引腳短接來選擇38個獨有的衰減因數，通過CN0548上的跳線實現。表1列出了5種跳線設置，涵蓋大部分應用和電路的允許輸入電壓。請參考LT1997-2數據手冊查看衰減因數的綜合列表。注意，應在將CN0548連接至帶電電路之前配置增益設置跳線，在連接至帶電電路時，不得移動跳線。

圖6.電壓范圍和極性電路

通過如表2所示配置LT1997-2 REF引腳和AD7798 AIN3引腳電壓，可以將CN0548電壓輸入設置為單極或雙極輸入范圍。 

AD8418A是一款雙向高壓零漂移電流檢測放大器。其固定增益為20V/V，具有10kHz帶寬，在整個工作溫度范圍內的最大增益誤差為±0.15%。放大器的輸出電壓直接連接至ADC的通道1、AIN1-和AIN1+。AD8418A提供出色的輸入共模抑制，范圍為-2V至+70V。如表3所示，AD8418A通過ISENSE輸入端子之間的10mΩ、2W電流檢測電阻執行雙向電流測量。在雙極性模式下，最大輸入電流為+/-10A。單極輸入范圍為0A至高達14A，受到檢測電阻的功耗限制。AD8418A輸出要求與GND之間具有32mV裕量；請參閱單極和雙極電流測量測試結果。

圖7.電流輸入信號調理和極性電路

模數轉換

AD7798是一款16位低功耗高精度∑-?模數轉換器(ADC)，用于測量寬動態范圍、低頻率信號，例如壓力傳感器、稱重和精密測量應用中的信號。AD7798具有三個緩沖差分輸入，帶有可編程儀表放大器和片內數字濾波。100mV至5.25V外部基準電壓決定滿量程輸入范圍。AD7798的輸出數據速率可由用戶編程，范圍為4.17至470sps；測量帶寬以及噪聲靈敏性與輸出數據速率成正比。大多數電源測量應用不需要高采樣率，可以利用較低輸出數據速率模式提供的窄帶寬。此外，16.7sps和更低的采樣率可以提供對50Hz和60Hz線路噪聲的同步抑制。AD7798根據輸出數據速率使用稍微不同的濾波器類型，以盡可能降低內部噪聲源造成的影響。圖8顯示16.7Hz模式下的濾波器響應。請參閱AD7798數據手冊，查看關于所有濾波器模式的完整詳細說明。

圖8.AD7798濾波器響應，16.7Hz更新速率模式

AD7798的模擬輸入是全差分輸入，輸入范圍為。當輸入電壓處于無緩沖模式且儀表放大器閑置時，絕對電壓可以擴展到任一供電軌，這是CN0548默認使用的配置。

CN0548向AD7798提供高電平緩沖信號，因此可以將增益設置為1并禁用緩沖器，以盡可能擴大輸入范圍。4.096V基準電壓產生的輸入范圍為+/-4.096V，甚至在ADC輸入等于或稍低于接地值時，讀數也是有效的。

基準電壓

CN0548板上使用兩個基準電壓。A級LT6657（如圖9所示）為AD7798提供4.096V基準電壓。此器件為帶隙基準電壓源提供非常低的噪聲；在0.1Hz至10Hz帶寬內，僅提供0.5ppmP-P，或者平均值為1.24μVp-p。它采用大型輸出電容保持穩定，該電容用于降低高頻噪聲，并為AD7798的動態采樣電流提供低阻抗。LT6657對4.096V輸出基準電壓源的電壓調整率通常低于1ppm/V。負載調整率也低于2μV/mA。負載電流中5mA的變化僅使輸出電壓偏移10μV。

圖9.4.096V ADC基準電壓源

LT6656為V_SENSE放大器、I_SENSE放大器和ADC負輸入提供2.048V偏置電壓，使輸入端口能夠支持雙極范圍。

噪聲性能

LT1997-2的最高輸出噪聲電壓按4衰減，約為1μVp-p。LT6657提供約2μVp-p輸出噪聲?？傊担ê偷钠椒礁?/span>1μVp-p和2.0μVp-p，或1.7μVp-p。AD7798的量化噪聲為62.5μV，因此將是電壓測量中的主要噪聲源。在80V輸入范圍內，折合為輸入的噪聲約為1.2mV。

在電流測量模式下，AD8418A的輸入噪聲電壓為2.3μVp-p，范圍為0.1Hz至10Hz。增益為20時，輸出端的反射噪聲電壓為20×2.3μVp-p，或46μVp-p。這仍然略低于AD7798的量化噪聲。雖然固定、無噪聲輸入可能產生幾個閃爍碼，仍然可將AD7798視為主要的噪聲源。

電源與SPI隔離

LTM2886 μModule的5V串行外設接口(SPI)版本提供隔離型+/-5V電源和隔離型SPI通信。無需使用外部組件，解耦電容集成在模塊中。LTM2886對接地層之間的共模瞬態具有極高的耐受度；通過大于30kV/us的共模事件保持無誤差運行。LTM2886包含一個獨立的邏輯電源引腳，允許主機側的邏輯電平電壓為1.62V和5.5V之間的任何電壓。

電路板隔離

圖10和圖11顯示的是電路板隔離柵。該板用于在接地之間提供最大爬電距離，串聯采用2個額定值為250V的安全型Y2電容，以降低來自LTM2886的內部開關穩壓器的傳導噪聲。

圖10.頂層PCB隔離

圖11.底層PCB隔離

常見變化

要實現更高分辨率的ADC，可以使用AD7799 24位Σ-Δ ADC作為替代選項。如果AD7798/AD7799需要2.5V基準電壓源，建議使用ADR381或ADR391低噪聲低功耗基準電壓源。

對于更低滿量程電流應用，AD8417是雙向、零漂移、電流檢測放大器，具有60V/V增益。

在需要信號輸入衰減和放大的應用中，LT1997-3是一種可選放大器。LT1997-3將精密運算放大器與高度匹配的電阻相結合，構成可以準確放大電壓的單芯片解決方案。在不使用外部組件的情況下，可以實現高達0.0714的衰減，高達+14、精度為0.006% (60ppm)的增益。

CN0548接地之間的最大電位差為+/-250V，受470pF旁路電容限制。更高電壓的應用要求修改或移除旁路電容；LTM2886本身可以承受接地之間的2500VRMS，持續1分鐘。

對于要求在隔離側提供更高電壓的應用，可以選擇使用LTM2883器件。LTM2883是一款完整的6通道數字μModule^?（微模塊）電氣隔離器。隔離側包含±12.5V和5V標稱電源，每個電源可以提供超過20mA負載電流。每個電源可以使用單個外部電阻來調節其標稱值。

電路評估與測試

EVAL-CN0548-ARDZ通過EVAL-ADICUP3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸開發板進行測試。有關完整設置詳情和其他重要信息，請訪問CN0548用戶指南。

設備要求

?      萬用表

?      EVAL-ADICUP3029

?      EVAL-CN0548-ARDZ

?      臺式可變電源（例如Agilent e3631）

?      micro USB電纜B型至A型

?      2片式香蕉形插座

?      Windows、Linux或Mac電腦，具有串行端子，裝有Python 3.6或更高版本

開始使用

要設置EVAL-CN0548-ARDZ和相關軟件，請使用以下步驟：

1.    如圖12所示，連接EVAL-ADI-CUP3029平臺板頂部的EVAL-CN0548-ARDZ。

2.    利用附帶的micro USB電纜將EVAL-ADICUP3029連接到PC。

3.    在PC中，將預先生成的.hex文件拖放到DAPLINK驅動器中。參考用戶指南查看最新的hex文件。

4.    按3029_RESET按鈕，或先拔出再重新插入USB電纜來重置ADICUP3029。

5.    通過設備管理器(Windows)或TTY設備文件(Linux)來確定EVAL-ADICUP3029 COM端口。

6.    打開CN0548_simple_plot.py示例Python腳本。（請參考用戶指南獲取腳本位置。）根據提示設置跳線和輸入COM（或tty）端口編號。

7.    為了進行電壓檢測測量，如圖13和圖14所示連接主直流源的香蕉接頭。將輸出電壓設置為5.99V至6V，限流值設置為3.9A至4A。

8.    為了進行電流檢測測量，如圖17和圖18所示連接主直流源的香蕉接頭。

圖12.主機連接

電壓測量測試設置

EVAL-CN0548-ARDZ是在單極和雙極模式下測試的，按照100mV步長，分別掃描0-40V和-40至+40V輸入電壓。如圖13和圖14所示，比較EVAL-CN0548-ARDZ板的讀數和Keithley DMM7510 7-1/2數字萬用表的讀數。LT1997-2的衰減值設置為20，并且AD7798和LT1997-2的基準電壓在單極測量模式下設置為0V，在雙極測量模式下設置為2.048V。

圖13.電壓輸入測試設置

圖14.電壓輸入測試設置圖片

單極和雙極電壓測試結果

圖15和圖16顯示3個獨立的CN0548板的未校正輸出。結果符合LT1997-2、LT6657和AD7798精度規格要求。轉換函數中的非線性“步長”是LT1997-2進入“over-the-top”模式的點。

圖15.單極精度（未校準）

圖16.雙極精度（未校準）

電流測量測試設置

EVAL-CN0548-ARDZ是在單極和雙極模式下測試的，按照100mA步長，分別掃描0A至9A和-9A至+9A輸入電流。如圖17和圖18所示，比較EVAL-CN0548-ARDZ板的讀數和Keithley DMM7510高分辨率7?數字萬用表的讀數。

圖17.電流輸入測試設置

圖18.電流輸入測試設置圖片

單極和雙極電流測量測試結果

圖19和圖20顯示3個單獨的CN0548板的未校準精度。增益誤差主要取決于±1%公差電流檢測電阻。

圖19.單極電流測量誤差

圖20.雙極電流測量誤差

了解更多

?      CN0548設計支持包

?      CN0548用戶指南

?      教程MT-031：實現數據轉換器的接地并解開“AGND”和“DGND”的謎團，ADI公司。

?      教程MT-035。運算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問題。ADI公司。

?      Cantrell，Mark。應用筆記AN-0971：isoPower器件的輻射控制建議。ADI公司。

ESD警告

ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產品具有專利或專有保護電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應當采取適當的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。

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