不同电源域之间的模拟测量

在许多应用中，在不同的电源域之间进行模拟测量非常有用。主要示例包括工业反馈系统、电机驱动器控制和太阳能逆变器。在每种情况下，必须监测和控制处于相当高电压的电力总线。用于控制这些系统的设备通常位于低得多的功率域（3.3 或 5 V）中，并且必须隔离所有测量。

进行隔离模拟测量的一种方法是使用电流传输光耦合器。这些简单的器件仅由一个 LED 和一个光电晶体管组成，可以使施加到输入的电流镜像到输出。它们对于精确模拟测量的价值有限，并且需要复杂的输入电路来调节感兴趣的信号以适当地驱动 LED。在输出端，需要一个缓冲器来使用光电晶体管输出。电流传输光耦合器容易随着时间和温度的变化而不稳定，因此难以在关键系统中保持精度。

幸运的是，有一些方法可以利用现代隔离器技术进行隔离模拟测量。以下是跨电源域进行精确测量的三种常用方法：

使用简单的模拟电路和数字隔离器。

使用独立的 A/D 转换器进行数字转换，并将其与数字隔离器配对。

使用现在可用的集成隔离的众多模拟放大器之一。

模拟电路和隔离器组合提供了一种灵活的解决方案。模拟信号首先被放大到第二级的满量程输入——一个简单的比较器和一个斜坡振荡器。该信号被转换为 PWM 信号并通过数字隔离器传输。另一方面，可以通过适当的滤波将信号转换回模拟信号。

第二种方法用 A/D 代替分立电路。虽然这看起来比将信号转换为 PWM 更简单，但它引入了其他复杂性，实际上可能更复杂。在大多数情况下，将再次需要放大器作为第一级。很可能必须向 A/D 提供时钟信号以及其他控制信号。这些信号可以由隔离栅对面的专用 MCU 提供，但需要使用多个通道隔离器，每个方向都有通道。一旦信号通过隔离栅，转换回模拟也同样复杂，需要某种类型的控制器和 D/A 转换器。

第三种方法是最直接的。今天有许多基于CMOS的产品，它们将模拟放大器与隔离装置相结合。隔离放大器设备通常具有缩放的输入，用于最常见的测量——通过分流电阻器的电流。不需要额外的电路。信号源直接连接到设备，内部支持电流隔离，并在输出端提供再现模拟信号。与其他隔离技术相比，芯片隔离技术是减少温度和老化变化、更紧密的部件间匹配和更长寿命的关键。

图1：电流隔离模拟放大器的框图。

您可以找到价格合理的使用最新隔离技术的独立模拟隔离器放大器。隔离屏障是鲁棒的，同时信号保持稳定和准确。集成电路输入具有低偏移和增益漂移、低噪声和高线性度的特性，以确保精确测量。

许多可用的电流隔离模拟放大器的一个例子是来自Silicon Labs的Si8920。该装置的低电压差分输入非常适合测量电流分流电阻器两端的电压。其输出为8.1x或16.2x放大的差分模拟信号。

IC 的 0.75 µs 极低信号延迟使控制系统能够快速响应故障条件或负载变化。1 µV/°C 的低失调漂移和 60 ppm/°C 的增益漂移确保在整个 -40° 至 125°C 的工作温度范围内保持精度，并且增益误差小于 0.5%。噪声在 100 kHz 带宽上指定为 0.10 mVrms。非线性度为 0.1% 满量程。

该器件具有 75 kV/µs 的高共模瞬态抗扰度，这意味着即使在电机驱动系统或逆变器中存在高功率开关的情况下，它也能提供准确的测量结果。根据 UL1577，它支持高达 5.0 kVrms 的耐受电压。

审核编辑 黄昊宇