測(cè)量高電壓上的小信號(hào)，避免傳感器接地回路

設(shè)計(jì)人員通常需要在存在高共模電壓的情況下測(cè)量小電壓，尤其是在使用電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)。這與使用傳感器時(shí)的接地環(huán)路問(wèn)題有關(guān)，因?yàn)檫@兩個(gè)問(wèn)題都可以通過(guò)有效使用隔離放大器來(lái)解決。

隔離放大器在其輸入和輸出之間提供電流隔離，因此它們僅傳輸所需的信號(hào)并消除高共模電壓。在基于傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)中，它們保持傳感器之間的接地隔離，以消除接地回路。它們常見(jiàn)于電源、電機(jī)控制器、遠(yuǎn)程電壓檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。
為了解釋隔離放大器的工作原理以及如何有效地應(yīng)用它們，本文將介紹一種需要隔離的典型場(chǎng)景，然后再討論三種常見(jiàn)的隔離方法;變壓器耦合、光耦合和電容耦合。在此過(guò)程中，它將介紹每種方法的實(shí)用解決方案，并使用參考設(shè)計(jì)的最終示例。
典型電源場(chǎng)景
現(xiàn)代電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要在存在高共模電壓的情況下測(cè)量小信號(hào)。設(shè)計(jì)人員如何使用FET偏置超過(guò)300V的電阻分流器測(cè)量推挽式FET功率驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電流（圖1a）？

圖1：在存在高共模電壓（a）的情況下測(cè)量小壓降和消除接地環(huán)路（b）是需要隔離的常見(jiàn)電路應(yīng)用。

上部（a）電路是用于控制電機(jī)或電機(jī)相位的典型功率驅(qū)動(dòng)器。它通過(guò)改變脈沖波形對(duì)負(fù)載的占空比來(lái)控制功率。電源電壓（HV+和HV-）約為數(shù)百伏。分流電阻兩端的電流檢測(cè)電壓，R分流，大約是10毫伏，但它依賴于在HV+和HV-之間擺動(dòng)的脈沖波形。將此電壓施加到接地儀表或電流檢測(cè)放大器的輸入端將超過(guò)共模電壓限值，并可能損壞器件。

同樣，設(shè)計(jì)人員如何測(cè)量多個(gè)電池堆疊頂部單個(gè)太陽(yáng)能電池的電壓輸出？一旦共模電壓超過(guò)80伏，就需要一些電氣隔離手段將所需信號(hào)與其分離。

還要考慮如何將電路與接地環(huán)路問(wèn)題隔離的問(wèn)題（圖1b）。信號(hào)使用同軸電纜從左側(cè)的發(fā)射器源連接到右側(cè)的接收器。來(lái)自其他電路的雜散接地電流可能會(huì)找到通過(guò)連接兩個(gè)接地的同軸屏蔽的返回路徑。它們?cè)陔娎|屏蔽串聯(lián)阻抗上產(chǎn)生電壓，導(dǎo)致VG2與V不同G1、導(dǎo)致接收端輸入端出現(xiàn)錯(cuò)誤。

這兩種應(yīng)用都需要能夠隔離信號(hào)連接。解決方案在于隔離放大器，隔離放大器在其輸入和輸出之間提供電流隔離。它們僅傳輸所需的信號(hào)，并消除高共模電壓。它們用于消除系統(tǒng)中的接地回路，保持電路元件之間的接地隔離。

隔離放大器的工作原理

隔離放大器是在其輸入和輸出電路（包括其相關(guān)電源）之間電隔離的放大器。這確保了輸入和輸出部分之間沒(méi)有導(dǎo)電路徑。它們?cè)诮孛嬷g具有極低的泄漏，以及高介電擊穿電壓規(guī)格。輸入級(jí)是一個(gè)差分放大器，用于衰減共模電壓。它可以做到這一點(diǎn)，因?yàn)檩斎氡舜嗽谝环詢?nèi)，并且放大器是浮動(dòng)的，而不是參考地。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和布局，可以最大限度地減少部分之間的雜散電容耦合，這可以減少隔離。各部分之間的隔離由變壓器、電容或光耦合提供（圖2）。這些耦合方法通常會(huì)阻塞信號(hào)的直流和低頻分量。通過(guò)使用輸入信號(hào)調(diào)制載波并傳輸通過(guò)器件輸出側(cè)解調(diào)恢復(fù)的完整信號(hào)頻譜，可以避免這一缺點(diǎn)。輸入側(cè)和輸出側(cè)均使用隔離電源。

圖2：通用隔離放大器，顯示了三種常用的隔離方法，包括變壓器、電容或光耦合器。

所使用的調(diào)制技術(shù)取決于器件，但經(jīng)常使用頻率、脈沖寬度或Σ-Δ調(diào)制。Σ-Δ調(diào)制是最常見(jiàn)的。輸入為差分，輸出配置可以是單端或差分。請(qǐng)注意，隔離放大器的輸入和輸出部分具有單獨(dú)的電源連接。通常，輸入部分使用不以地為參考的“浮動(dòng)”電源。保持良好的隔離要求電源隔離良好。

施加的輸入和輸出之間最大電壓差的隔離放大器額定值通常針對(duì)持續(xù)的直流和交流電壓進(jìn)行指定。瞬態(tài)的最大施加電壓與瞬態(tài)條件的時(shí)序分開(kāi)指定。只要物理布局保持器件輸入和輸出引腳之間的建議間距，這些規(guī)格就適用，數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)此進(jìn)行了仔細(xì)說(shuō)明。

變壓器（磁）耦合

從歷史上看，變壓器耦合隔離是隔離電路的最古老方法。ADI公司的AD202JY是一款磁耦合隔離放大器（圖3）。

圖3：ADIAD202JY使用變壓器耦合，采用1000V單非隔離電源實(shí)現(xiàn)15V直流隔離。

AD202JY的最大隔離電壓額定值為750VRMSAC（60Hz）和1000VDC，外加連續(xù)交流。它使用雙變壓器，其中第一個(gè)用于信號(hào)路徑。第二個(gè)將25kHz載波從輸出端耦合到輸入側(cè)，是調(diào)制器的載波。它還用于為輸入部分生成雙隔離電源輸出。這滿足了對(duì)單獨(dú)隔離電源的需求。

放大器的增益可由用戶設(shè)置在1至100V/V之間，其全功率帶寬為5kHz。輸出級(jí)是能夠提供±5V電壓的無(wú)緩沖差分輸出。

光耦合

光耦合是在隔離放大器的輸入和輸出之間提供隔離的另一種可能性。隔離放大器的輸入部分驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），輸出部分的光電晶體管從中吸收光（圖4）。該鏈路完全是光學(xué)的，LED和光電晶體管之間沒(méi)有電氣連接。

圖4：ACPL790X隔離放大器系列的功能圖顯示了使用光鏈路在輸入和輸出之間提供電氣隔離。

ACPL790系列隔離放大器將出色的光耦合與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器技術(shù)和斬波穩(wěn)定放大器相結(jié)合，提供高壓隔離、差分輸出和200kHz帶寬。它具有IEC/EN/DINEN60747-5-5工作絕緣電壓，為891伏（峰值）。該系列中有三種產(chǎn)品的精度規(guī)格不同。ACPL-7900提供3%的精度;ACPL-790A的精度為1%;ACPL-790B的精度為0.5%。

電容耦合

AMC1301隔離放大器代表了獲得隔離的第三種方法，即電容耦合（圖5）。

圖5：AMC1301在其增強(qiáng)型隔離柵的每個(gè)支路中使用兩個(gè)串聯(lián)電容器來(lái)提供容性隔離。

AMC1301是一款差分輸出隔離放大器，隔離電壓額定值為1500V（峰值）。隔離放大器的輸入級(jí)由驅(qū)動(dòng)Δ-Σ調(diào)制器的差分放大器組成。隔離時(shí)鐘（載波）在內(nèi)部派生。發(fā)射器（TX）驅(qū)動(dòng)器通過(guò)雙電容隔離柵傳輸數(shù)據(jù)。接收到的調(diào)制數(shù)據(jù)在低端與時(shí)鐘進(jìn)行解調(diào)和同步，并作為差分信號(hào)輸出。AMC1301具有8.2的固定增益和200kHz（典型值）的標(biāo)稱帶寬。

與前面的討論一樣，AMC1301的輸入側(cè)和輸出側(cè)需要隔離電源。

隔離接地回路

隔離放大器輸入和輸出之間的隔離可用于斷開(kāi)接地環(huán)路，如圖1b所示。通過(guò)將隔離放大器放置在發(fā)射器和接收器之間，它們之間通過(guò)同軸電纜的接地連接斷開(kāi)，并且它們之間沒(méi)有直接的接地路徑（圖6）。

圖6：在發(fā)射器和接收器之間插入隔離放大器消除了由于原始同軸電纜連接而導(dǎo)致的接地環(huán)路。

結(jié)論

隔離放大器無(wú)論是基于磁性、光學(xué)還是電容耦合，都是測(cè)量高共模電壓上的小信號(hào)或隔離電路接地以消除帶寬高達(dá)200kHz系統(tǒng)中接地環(huán)路的有用工具。它們常見(jiàn)于電源、電機(jī)控制器、遠(yuǎn)程電壓檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。

審核編輯黃宇