AMC1106x：小体积、高精度的基本隔离式ΔΣ调制器

在电子设计领域，高精度的电流传感和信号处理至关重要。今天，我们要深入探讨德州仪器（TI）的AMC1106x系列，这是一款小体积、高精度的基本隔离式ΔΣ调制器，在三相电表等应用中具有出色的表现。

文件下载：amc1106e05.pdf

产品特性亮点

输入特性与编码选项

• 输入电压范围：±50 - mV的输入电压范围，专门针对使用分流电阻进行电流测量进行了优化。这使得它能够在较小的电压范围内实现高精度的电流传感，同时允许使用较小的分流电阻值，从而降低功耗。
• 编码选项：提供曼彻斯特编码或未编码的比特流选项，为不同的系统设计提供了灵活性。

高精度的直流性能

• 偏移误差和漂移：最大偏移误差为±50 µV，漂移为±1 µV/°C。这确保了在系统级别的高精度传感中，能够提供稳定可靠的测量结果。
• 增益误差和漂移：最大增益误差为±0.2%，漂移为±40 ppm/°C。在不同的温度环境下，依然能够保持较高的增益精度。

低功耗与系统诊断

• 低功耗运行：采用3.3 - V电源供电，有效降低了隔离屏障两侧的功耗，提高了系统的能源效率。
• 系统诊断功能：具备系统级诊断特性，能够及时发现和报告系统中的异常情况，增强了系统的可靠性。

电磁兼容性与安全认证

• 高电磁抗扰度：具有高电磁抗干扰能力，可参考ISO72x数字隔离器磁场抗扰度应用报告。
• 安全认证：符合多项安全相关认证，如5657 - (V{PK})基本隔离（DIN VDE V 0884 - 11: 2017 - 01）和4000 - (V{RMS})隔离1分钟（UL1577、CAN/CSA No. 5A - 组件验收服务通知和DIN EN 61010 - 1终端设备标准）。

主要应用场景

AMC1106x在基于分流电阻的三相电表电流传感中有着广泛的应用。传统的三相电表中，电流互感器（CT）是常用的电流传感器，但强磁场可能会使CT饱和，影响能量测量的准确性。而分流电阻对磁场免疫，结合AMC1106x的高精度特性，可以设计出不受磁场干扰的电表。

详细技术解析

器件概述

AMC1106是一款精密的ΔΣ调制器，其输出与输入电路通过电容隔离屏障分离，该屏障对磁干扰具有高度抗性。输入级经过优化，可直接连接到分流电阻或其他低电压信号源，实现出色的交流和直流性能。

功能框图与工作原理

• 功能框图：包括模拟输入级、ΔΣ调制器、隔离接口等部分。模拟输入级是一个全差分放大器，将输入信号馈送到二阶ΔΣ调制器，将模拟信号数字化为1 - 位输出流。
• 工作原理：外部时钟信号在CLKIN引脚提供，输出的串行比特流的时间平均值与模拟输入电压成正比。

特性详细描述

• 模拟输入：前端电路包含差分放大器和采样级，差分放大器的增益由内部精密电阻设置为20倍，输入电阻为4.9 kΩ。为了降低偏移和偏移漂移，采用斩波稳定技术，开关频率为(f_{CLKIN } / 32)。
• 调制器：二阶开关电容前馈ΔΣ调制器，将量化噪声转移到高频，需要在输出端使用低通数字滤波器来提高整体性能。
• 隔离通道信号传输：采用开关键控（OOK）调制方案，通过基于(SiO_{2})的电容隔离屏障传输调制器输出的比特流，提高了CMTI性能并降低了辐射发射。
• 数字输出：输入电压在 - 50 mV至50 mV范围内时，输出具有线性特性；超出该范围，输出会出现非线性行为，量化噪声增加。当输入小于或等于 - 64 mV时，输出为全零；大于或等于64 mV时，输出为全一。
• 曼彻斯特编码特性：AMC1106E05提供符合IEEE 802.3的曼彻斯特编码功能，生成的比特流至少有一个转换，支持从比特流中恢复时钟信号，便于单线路数据和时钟传输。

器件功能模式

• 故障安全输出：当AVDD高侧电源电压缺失时，输出为逻辑0的稳态比特流；当输入共模电压达到或超过共模过压检测电平(V_{CMov})时，输出为逻辑1的稳态比特流。
• 满量程输入时的输出行为：当输入信号达到满量程时，器件每128个时钟周期输出一个1或0，方便在系统级区分满量程输入和电源缺失的情况。

应用设计要点

数字滤波器的使用

调制器输出的比特流需要经过数字滤波器处理，以获得类似于传统模数转换器（ADC）的转换结果。推荐使用sinc3类型的滤波器，它在二阶调制器中能够以最小的硬件成本提供最佳的输出性能。

典型应用设计

设计要求

• 电源电压：AVDD1、AVDD2和AVDD3高侧电源电压为3.3 V或5 V，DVDD低侧电源电压为3.3 V或5 V。
• 分流电阻电压降：线性响应时，分流电阻上的电压降最大为±50 mV。
• 精度要求：达到0.5级或更高精度。

详细设计步骤

• 电源设计：AVDD可通过外部电容降压或无芯变压器电源电路获取，使用低ESR的0.1 µF去耦电容进行滤波。
• 分流电阻选择：根据欧姆定律(V{SHUNT }=I ×R{SHUNT })计算分流电阻上的电压降，选择合适的电阻值，确保电压降不超过推荐的差分输入电压范围和引起削波输出的输入电压。
• 滤波电路：在AMC1106前端使用RC滤波器，提高系统的信噪比和抗高频电磁场干扰能力。
• 输出处理：推荐使用TI的MSP430F67x系列低功耗微控制器进行输出比特流平均处理，该系列提供了sigma - delta模块（SD24_B），可直接访问数字滤波器。

电源与布局建议

电源建议

为了降低系统成本，AMC1106的高侧电源（AVDD）可采用外部电容降压电源。在电源路径上使用0.1 µF的去耦电容，并将其尽可能靠近AVDD引脚。对于控制器侧的数字电源，使用0.1 µF电容靠近DVDD引脚，再加上1 µF至10 µF的额外电容进行去耦。

布局指南

• 元件放置：将分流电阻靠近AMC1106的AINP和AINN输入，并保持连接布局对称。去耦电容应尽可能靠近AMC1106的电源引脚。
• 隔离区域：在布局中设置清晰的隔离区域，避免导电材料进入，以确保隔离性能。

总结

AMC1106x系列调制器以其小体积、高精度、低功耗和出色的隔离性能，为三相电表等应用中的电流传感提供了优秀的解决方案。在设计过程中，合理选择元件、优化电源和布局，能够充分发挥其性能优势，实现高精度、高可靠性的系统设计。各位工程师在实际应用中，不妨多尝试和探索，挖掘其更多的潜力。

你在使用AMC1106x或者类似器件的过程中，遇到过哪些有趣的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。