本文將首先介紹共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）規(guī)范及其在系統(tǒng)中的重要性。我們將討論一種新的隔離式Σ-Δ調(diào)制器系列及其性能，以及它如何提高和促進(jìn)系統(tǒng)電流測(cè)量精度，特別是失調(diào)誤差和失調(diào)誤差漂移。最后，將介紹推薦的電路解決方案。

隔離式調(diào)制器廣泛用于需要高精度電流測(cè)量和電氣隔離的電機(jī)/逆變器。隨著電機(jī)/逆變器系統(tǒng)的高集成度和高效率革命，SiC和GaN FET因其更小的尺寸、更高的開(kāi)關(guān)頻率和更低的散熱器優(yōu)勢(shì)而開(kāi)始取代MOSFET和IGBT。但是，隔離元件需要高CMTI能力。還需要更高精度的電流測(cè)量。下一代隔離調(diào)制器大大提高了CMTI能力，并提高了精度本身。

什么是共模瞬態(tài)抗擾度？

共模瞬態(tài)抗擾度指定跨隔離邊界施加的瞬態(tài)脈沖的上升和下降速率，超過(guò)該速率，時(shí)鐘或數(shù)據(jù)將損壞。記錄脈沖的變化率和絕對(duì)共模電壓（VCM）。

新型隔離調(diào)制器在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)CMTI條件下進(jìn)行了測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試檢測(cè)來(lái)自設(shè)備的單位錯(cuò)誤。動(dòng)態(tài)測(cè)試監(jiān)測(cè)濾波后的數(shù)據(jù)輸出，以了解隨機(jī)應(yīng)用CMTI脈沖的噪聲性能變化。詳細(xì)的測(cè)試框圖如圖1所示。

圖1.簡(jiǎn)化的 CMTI 測(cè)試框圖。

CMTI很重要，因?yàn)?a target="_blank">高壓擺率（高頻）瞬變會(huì)破壞跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸。了解和測(cè)量對(duì)這些瞬變的敏感性至關(guān)重要。ADI公司的測(cè)試方法基于IEC 60747-17標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)涉及磁耦合器的共模瞬變抗擾度（CMTI）測(cè)量方法。

如何在工作臺(tái)上表征隔離調(diào)制器的CMTI

簡(jiǎn)化的CMTI測(cè)試平臺(tái)包括圖1所示的以下項(xiàng)目：

用于 VDD1/VDD2 的電池電源。

高共電壓脈沖發(fā)生器。

用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的示波器。

用于分析數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和用于隔離調(diào)制器的256抽取sinc3濾波器。

隔離模塊（通常使用光隔離）。

隔離式調(diào)制器。

對(duì)于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)CMTI測(cè)試，使用相同的平臺(tái)，只是輸入信號(hào)不同。該平臺(tái)還可用于測(cè)試其他隔離產(chǎn)品的CMTI性能。對(duì)于隔離式調(diào)制器，一位流數(shù)據(jù)將被抽取和濾波，然后傳輸?shù)?a target="_blank">電機(jī)控制系統(tǒng)中的控制環(huán)路，因此動(dòng)態(tài)CMTI測(cè)試性能將更加全面和有用。圖2和圖3顯示了不同CMTI電平下的時(shí)域和頻域CMTI動(dòng)態(tài)測(cè)試性能。從圖2可以看出，當(dāng)為同一隔離調(diào)制器添加更高的VCM瞬態(tài)信號(hào)時(shí)，雜散會(huì)變大。當(dāng)VCM瞬態(tài)信號(hào)超過(guò)隔離調(diào)制器規(guī)格時(shí)，時(shí)域中會(huì)出現(xiàn)非常大的雜散（如圖2c所示）。這在電機(jī)控制系統(tǒng)中使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，導(dǎo)致較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖2.時(shí)域動(dòng)態(tài) CMTI 性能。

圖3.頻域動(dòng)態(tài)CMTI性能。

圖3顯示了不同頻率瞬變下的FFT域性能（這意味著通過(guò)改變瞬態(tài)周期來(lái)保持VCM瞬態(tài)電平）。圖3中的結(jié)果表明，諧波與瞬態(tài)頻率高度相關(guān)。因此，隔離調(diào)制器的CMTI能力越高，F(xiàn)FT分析中的噪聲水平就越低。與上一代隔離式調(diào)制器相比，下一代ADuM770x器件將CMTI能力從25 kV/μs提高到150 kV/μs，從而大大提高了系統(tǒng)瞬態(tài)抗擾度，詳見(jiàn)表1中的比較數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)級(jí)補(bǔ)償和校準(zhǔn)技術(shù)

在電機(jī)控制或逆變器系統(tǒng)中，電流數(shù)據(jù)的精度越高，系統(tǒng)就越穩(wěn)定和高效。失調(diào)和增益誤差是ADC中直流誤差的常見(jiàn)來(lái)源。圖4顯示了失調(diào)和增益誤差如何影響ADC傳遞函數(shù)。這些誤差可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)或速度脈動(dòng)。為了限制誤差對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)的影響，可以在環(huán)境溫度下校準(zhǔn)這些誤差。

圖4.ADC傳遞函數(shù)的失調(diào)和增益誤差。

否則，失調(diào)漂移和整個(gè)溫度范圍內(nèi)的增益誤差是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兏y補(bǔ)償。在系統(tǒng)溫度已知的情況下，對(duì)于具有線性和可預(yù)測(cè)漂移曲線的轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)在曲線上增加補(bǔ)償因子使失調(diào)漂移曲線盡可能平坦來(lái)實(shí)現(xiàn)失調(diào)和增益誤差漂移的補(bǔ)償（盡管昂貴且耗時(shí)）。應(yīng)用筆記AN-1377中描述了這種詳細(xì)的補(bǔ)償方法。該方法可將AD7403/AD7405數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的失調(diào)漂移系數(shù)降低多達(dá)30%，增益誤差漂移降低90%，并且當(dāng)您想要改善系統(tǒng)級(jí)失調(diào)和增益誤差漂移時(shí)，該方法可應(yīng)用于任何其他轉(zhuǎn)換器元件。

如何使用切碎技術(shù)

或者，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，稱為斬波技術(shù)的設(shè)計(jì)更高效、更方便，并且斬波功能也可以與硅本身很好地集成，以最大限度地減少失調(diào)和增益誤差漂移。斬波方案如圖5所示，其中在ADC上實(shí)現(xiàn)的解決方案是斬波整個(gè)模擬信號(hào)鏈，以消除任何失調(diào)和低頻誤差。

圖5.

調(diào)制器的差分輸入在輸入多路復(fù)用器上交替反相（或斬波），并且對(duì)斬波的每一相執(zhí)行ADC轉(zhuǎn)換（將多路復(fù)用器切換到“0”或“1”狀態(tài)）。調(diào)制器斬波在輸出多路復(fù)用器中反轉(zhuǎn)，然后輸出信號(hào)傳遞到數(shù)字濾波器。

如果Σ-Δ調(diào)制器中的失調(diào)表示為V操作系統(tǒng)，則輸出為 （A在（+） ? A在（?）） + V操作系統(tǒng)當(dāng) chop 為 0 且輸出為 ?[（A在（?） ? A在(+))4 Ω操作系統(tǒng)]當(dāng)印章為1時(shí)。誤差電壓，V操作系統(tǒng)，通過(guò)在數(shù)字濾波器中對(duì)這兩個(gè)結(jié)果求平均值來(lái)刪除，給出（A在（+） ? A在（?）），等于沒(méi)有任何失調(diào)項(xiàng)的差分輸入電壓。

最新的隔離調(diào)制器通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部模擬設(shè)計(jì)和使用最新的斬波技術(shù)，改善了失調(diào)和增益誤差相關(guān)的性能，從而極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)并縮短了校準(zhǔn)時(shí)間。最新的ADuM770x器件具有最高的隔離電平和最佳的ADC性能。還提供LDO版本，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。

推薦的電路和布局設(shè)計(jì)

電機(jī)系統(tǒng)的典型電流測(cè)量電路如圖6所示。雖然系統(tǒng)中需要三個(gè)相電流測(cè)量電路，但框圖中只顯示了一個(gè)。其他兩個(gè)相電流測(cè)量電路相似，用藍(lán)色虛線表示。從相電流測(cè)量電路中，我們可以看到一側(cè)的R。分流電阻連接到ADuM770x-8的輸入端。另一側(cè)連接到高壓FET（可以是IGBT或MOSFET）和電機(jī)。過(guò)壓、欠壓或其他電壓不穩(wěn)定情況總是在高壓FET改變狀態(tài)時(shí)發(fā)生。相應(yīng)地，R的電壓波動(dòng)分流電阻將傳遞到ADuM770x-8，相關(guān)數(shù)據(jù)將通過(guò)DATA引腳接收。布局和系統(tǒng)隔離設(shè)計(jì)可以改善或降低電壓不穩(wěn)定條件，從而影響相電流測(cè)量精度。

圖6.電機(jī)系統(tǒng)中的典型電流測(cè)量電路。

如圖6所示，推薦的電路設(shè)置為：

對(duì)于VDD1/VDD2去耦，需要10 μF/100 nF電容，并應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的引腳放置。

需要一個(gè)10 Ω/220 pF RC濾波器。

建議使用可選的差分電容，以減少分流器的噪聲影響。將電容器靠近 IN+/IN– 引腳放置（建議采用 0603 封裝）。

當(dāng)數(shù)字輸出線路較長(zhǎng)時(shí)，建議使用82 Ω/33 pF RC濾波器。為了獲得良好的性能，應(yīng)考慮使用屏蔽雙絞線電纜。

對(duì)于更高的性能要求，請(qǐng)考慮使用 4 端子分流電阻器。

為了達(dá)到最佳性能，良好的布局也是必要的。推薦的布局如圖 7 所示。建議采用從分流電阻器到IN+/IN–輸入引腳的差分對(duì)布線，以增強(qiáng)共模抑制能力。10 Ω/220 pF濾波器應(yīng)盡可能靠近IN+/IN–輸入引腳放置。10 μF/100 nF去耦電容應(yīng)靠近VDD1/VDD2電源引腳放置。建議將部分接地層GND1放置在輸入相關(guān)電路下方，以提高信號(hào)穩(wěn)定性。需要獨(dú)立的GND1線（以紫色顯示，與差分對(duì)布線線并聯(lián)），從分流電阻到ADuM770x-8 GND引腳進(jìn)行星形連接，以降低電源電流波動(dòng)效應(yīng)。

圖7.ADuM770x-8電路的推薦PCB布局。

結(jié)論

最新的ADuM770x隔離式Σ-Δ調(diào)制器將CMTI提高到150 kV/μs水平，并改善了溫度漂移性能，這極大地有利于電流測(cè)量應(yīng)用。在設(shè)計(jì)階段，使用推薦的電路和布局會(huì)很有幫助。

審核編輯：郭婷