基于纳芯微NSI1400隔离放大器的电流采样电路设计-电子发烧友网

摘要

在高压工业应用场景中，隔离采样技术能够保护低压电路免受高压电源电路故障的影响，同时确保不同电压域之间维持通信，从而显著提高系统可靠性。

NSI1400是一款基于纳芯微电容隔离技术的高性能隔离放大器，其输出与输入相互隔离。该产品已广泛应用于分流电流监测、电机驱动、不间断电源、光伏逆变器等多个领域。为了帮助客户简化设计流程，本应用指南介绍了如何根据客户的电流采样需求使用NSI1400。

1. 典型应用电路

NSI1400隔离放大器非常适合用于高压应用场景中的分流电阻式电流采样，比如电机驱动。典型的应用电路如图1所示。

分流电阻Rsense两端的电压通过RC滤波器（RFLT和CFLT）施加到NSI1400的差分输入端。为了实现输入开关电容电路的电荷缓冲（参见2.1节“采用开关电容电路的模拟输入”了解更多详细信息），必须增加大于330pF的滤波电容，并确保其位置尽可能靠近NSI1400，以提升在高噪声应用场景中的性能。

隔离放大器的差分输出通过基于运算放大器的电路转换为单端模拟输出。建议在OUTP和OUTN引脚上添加大于1kΩ的电阻，以防止输出过流。模数转换器（ADC）通常在后端接收这个单端模拟输出信号，并将其转换为数字信号，以便控制器进行处理。

图1. 相电流采样典型应用电路

2.输入调理电路

在NSI1400的应用中，如果输出误差（比如，增益误差或输入失调电压）异常地超出数据表规定的规格，这可能归咎于输入调理电路设计不当。本节将根据NSI1400的开关电容模拟输入电路和抗混叠原理，介绍NSI1400应用的推荐输入调理电路。

2.1采用开关电容电路的模拟输入

作为NSI1200/NSI1300的迭代升级产品，NSI1400在输入架构方面进行了优化，旨在减少由输入偏置电流引起的采样误差。然而，这种架构变化对输入滤波电容的选择提出了新的要求（建议大于330pF）。如果设计不当，可能会导致采样误差增加。为了更好地帮助客户理解，下面将详细解释NSI1400的输入架构。

NSI1400的模拟输入是基于二阶Σ-Δ调制器的开关电容电路。模拟输入的等效电路如图2所示。内部电容CIND通过周期性开关动作以12MHz的内部时钟频率fCLK连续充放电，实现输入信号数字化。在充电阶段，S1闭合，S2断开，CIND充电至输入差分电压。在放电阶段，S1断开，S2闭合，CIND放电至GND1+0.9V的电压水平。根据等效电路，可以按下面的公式计算输入电阻RIND：

图2. 模拟输入的等效电路

当电容性负载切换到输入端时，由于电荷重新分配，输入信号幅度会暂时下降。输入源尝试纠正这种情形，同时由于较长输入线路表现出类似电感的特性，这个过程中可能会出现过度振铃现象。为了解决这个问题，每个输入端增加外部电容器可以帮助提供采样过程中产生的电流尖峰。选用容量大于330pF的外部电容器（图1所示CFLT，也作为滤波电容）是提高瞬态电荷供应能力的一种方法。输入电容器应尽可能靠近NSI1400放置，以抑制振荡并确保采样精度。

2.2 抗混叠原理

采样系统能够以高精度处理的最高频率信号称为其奈奎斯特极限。采样率必须大于或等于输入信号最高频率的两倍。如果输入信号频率超过奈奎斯特频率，通带中会产生冗余或有害信号，这种现象称为混叠。图3阐明了信号混叠机制。例如，采样率fs为1MHz，采样信号带宽为fs的一半，即500kHz（奈奎斯特频率）。在采样过程中，频率为fin（fin>fs/2）的输入信号会镜像至通带中，成为频率为fs-fin的错误混叠信号。在实际应用场景中，通常设置更高的采样率，以提供一定的裕量并减少滤波需求。

图3.信号混叠机制

除了满足输入信号频率低于奈奎斯特极限的要求，采样系统的输入信号通常包含频率超过奈奎斯特频率的高频噪声。这些噪声会混叠到通带成为干扰信号。因此，需要在采样系统输入端设置抗混叠滤波器，从而在采样前滤除高频噪声，避免噪声混叠。选择的滤波器应考虑截止频率可以消除采样输入的高频噪声或至少将其衰减至不会对采样信号产生明显影响的程度。

NSI1400是一个采样频率为12MHz的采样系统。为了防止混叠到通带内的高频噪声，抗混叠滤波器的截止频率不超过6MHz。

2.3 输入滤波器设计

NSI1400的输入调理滤波器设计考虑了电荷缓冲需求、抗混叠、输入信号频率和系统带宽等因素，如图1所示。

为了满足输入开关电容电路的电荷缓冲需求，滤波电容器的容量需大于330pF。表1列出了在不同输入滤波电容条件下，NSI1400的增益误差测量结果。根据规格书指标，增益误差在±0.3%以内。因此，需要选择容量大于330pF的滤波电容器，而容量大于1nF的滤波电容器更佳。

表1.NSI1400样片在不同输入滤波电容下的增益误差

针对存在高频干扰应用的抗混叠需求，抗混叠滤波器的截止频率不超过6MHz，如第2.2节所示。

位于INN和INP引脚之间的电容器用于滤除差分噪声，称为差分电容器Cdiff。位于INN/INP引脚与GND1之间的电容器用于滤除共模噪声，称为共模电容器Ccm。为了减少不同输入引脚的共模电容误差影响，建议Cdiff值至少是Ccm值的10倍。这可以防止由于元件容差导致共模噪声被转换为差分噪声。如果系统的共模噪声在可接受范围内，则无需设置Ccm。客户可以根据自身需求调整滤波器的设计。共模噪声滤波器和差分噪声滤波器的截止频率如下所示：