电路笔记 CN-0280 连接/参考器件 Circuits from the Lab™ reference circuits are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0280. AD7401A 隔离式Σ-Δ调制器 AD8639 自稳零型轨到轨输出双通道运算放大器 ADuM6000 隔离式5kV DC-DC转换器 ADM8829 开关电容电压反相器 ADP121 150mA、低静态电流、CMOS 线性稳压器 ADP7104 20V、500 mA低噪声CMOS LDO ADP7182 −30V、200mA、低噪声、 负线性稳压器 集成隔离式电源、用于太阳能光伏转换器的强大完全隔离式电流检测电路 评估和设计支持 凭借仅3 μV的典型失调电压、0.01 μV/°C的漂移以及1.2 μV p-p 设计和集成文件 的噪声(0.1 Hz至10 Hz)，AD8639非常适合必须将直流误差源 原理图、布局文件、物料清单 电路功能与优势 图1所示电路是一款完全隔离的电流传感电路，自带隔离 电源。 该电路具有极强的鲁棒性，可以安装在检测电阻附 降至最低的应用。整个工作温度范围内几乎为零的漂移特 性可以给太阳能面板应用带来极大的好处。许多系统都可 以利用AD8639提供的轨到轨输出摆幅来使信噪比(SNR)达 到最大。 近，以实现精确的测量，最大程度地降低噪声拾取。 输出 在电流测量电流周围采用一个保护环，以防止任何漏电流 为来自一个Σ-Δ调制器的单路16 MHz位流，由一个DSP通过 进入这个敏感的低电压区域。BAT54肖特基二极管可以保 一个sinc3 数字滤波器进行处理。 护AD8639的输入，使其不受瞬态过压和ESD的影响。 该电路是太阳能光伏(PV)转换器交流电流监测的理想选 单极点RC滤波器(102 Ω、1 nF)的差模带宽为1.56 MHz，可 择，在这种应用中，峰值交流电压可能高达数百伏特，电 以降低AD7401A输入端的带宽噪声。 流可能在几mA到25 A之间变化。 Σ-Δ调制器需要一个来自外部源的时钟输入，如DSP处理器 电路描述 或FPGA。 时钟频率的可能范围为5 MHz至20 MHz，图1所 电路采用一个1mΩ检测电阻，通过一个双通道AD8639低 示电路使用的频率是16 MHz。调制器极其强大的单位流输 失调放大器来测量最高±25 A的峰值电流。放大器的增益设 出可以直接由sinc3滤波器处理，其中，可将数据转换成一 为10，以发挥AD7401AΣ-Δ调制器的满量程范围优势。对 个ADC字。 于较高的电流，可以通过相应降低AD8639的增益来测量 (最高±50 A或±100 A)，以确保发挥出AD7401A满量程输入 范围的最大优势。 通过1 mΩ电阻的±25 A电流形成±25 mV的电压。然后，该电 压由AD8639放大至±250mV，并输入AD7401A。AD7401A的 差分输入充当传统三运放仪表放大器配置中的差动放大器。 Rev. 0 Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0280 13kΩ 40kΩ +2.5V_ISO −2.5V_ISO 5V_ISO +2.5V_ISO BAT54S 0.1µF ±25A 1/2 VDD1 VDD1 51Ω GND 51Ω RF 1nF CLOCK MCLKIN RF 100Ω AD7401A 91kΩ 27kΩ 82pF 1/2 51Ω –2.5V_ISO 47kΩ VIN GND1 VOUT GND2 ADP7104 GND2 GND −2.5V_ISO +2.5V_ISO +2.5V_ISO 5V OUT VISO IN ADP121-2.5 0.1µF VDD1 VISO 40kΩ 10kΩ 0.1µF 47µF RCSEL VSEL −5V_ISO ADJ VOUT VIN ADP7182 GND ADuM6000 OUT 10µF IN ADM8829 RCIN 0.1µF 10µF CAP+ CAP− GND 4.7µF GNDISO GND1 GNDISO GND1 AGND_ISO 10857-001 −2.5V_ISO 10µF VDD1 10µF GND 10kΩ 3.3V 5V 5V_ISO 10µF DSP ADJ VIN− AD8639 BAT54S DATA MDAT ±250mV 91kΩ 10Ω 10µF ADP7104 VDD2 10Ω RG 10kΩ VIN VOUT 47µF VIN+ AD8639 1mΩ SENSE RESISTOR 6V TO 20V ADJ 5V DGND 图1. 隔离式电流检测电路(简化原理图： 未显示所有连接和去耦) 交流和直流信息都可以用AD740x器件来分析，因此，不但 表1. AD7401A的最大连续工作电压1 可以监控交流性能，而且还可以监控系统中可能存在的任 参数 交流电压， 双极性波形 交流电压， 单极性波形 直流电压 何直流注入。在太阳能应用中，直流注入至关重要，因为 如果过多的直流电流注入电网，结果可能使其路径上的任 何变压器饱和，因此，必须将直流电流限制在低毫安范围 之内。 最大值 单位 565 V峰值 约束条件 最少50年寿命 891 V峰值 891 V CSA/VDE认证的 最大工作电压 CSA/VDE认证的 最大工作电压 使用AD740x器件一个关键优势在于，它们可以非常接近实 际交流电流路径，而DSP或FPGA则可能存在一定的距离， 1 指隔离栅上的连续电压幅度。 详情请参见AD7401A数据手册。 甚至位于系统中的另一块电路板上。这样，通过最大程度 地降低EMI/RFI效应，结果可以提高整个系统的精度。 安全性通过20 µm聚酰亚胺薄膜隔离栅来实现。更多有关这 些内容的信息以及各种认证可在相关数据手册中找到。 AD7401A工作电压高达891 V单极性范围，或565 V双极性范 围，并横跨隔离栅，如表1所示。 Rev. 0 | Page 2 of 7 CN-0280 DC-TO-DC CONVERSION DC-TO-AC CONVERSION ~ = ADuM6000是一款5 V隔离式DC-DC转换器，通过一个内部 625 kHz PWM方式提供跨越隔离栅的5 V直流电源。该电流 DC LINK = AC CURRENT MEASURMENT USING SHUNT L N = 在隔离栅的隔离端整流和滤波。 AD7401A AD8639运算放大器电源被调节至±2.5 V，以实现更好的噪 声性能。+2.5 V由低噪声ADP121低压差稳压器提供，后者 ANALOG DEVICES DSP 2-WIRE CONNECTION SOLAR PANEL DC-TO-DC CONVERSION DC-TO-AC CONVERSION ~ = 原理 DC LINK = AC CURRENT MEASURMENT USING SHUNT = AD7401A是一款二阶Σ-Δ调制器，片上的数字隔离采用 AD7401A ADI公司的iCoupler®技术，能将模拟输入信号转换为高速1 位数据流。模拟调制器对模拟输入信号连续采样，因而无 ANALOG DEVICES DSP 需外部采样保持电路。AD7401A采用5 V电源供电，可输入 2-WIRE CONNECTION SINGLE PHASE AC GRID −5 V输出电压，后者由ADP7182负线性稳压器调节至−2.5 V。 10857-002 由+5 V隔离电源驱动。 ADM8829开关电容电压逆变器由+5 V隔离电源驱动，产生 SINGLE PHASE AC GRID SOLAR PANEL 电源配置 ±250 mV的差分信号(满量程±320 m)。输入信息以数据流密 图2. 太阳能光伏逆变器系统 度的形式包含在输出数据流内，该数据流的最高数据速率 以前的太阳能光伏逆变器只是将电能转储到公用电网的模 可到20 MHz。通过适当的数字滤波器重构原始信息。处理 块。面向新设计的太阳能逆变器侧重于安全性、电网整合 器侧(非隔离)可采用5 V或3 V电源(VDD2)。 和成本的降低。为此，太阳能光伏逆变器设计人员正在考 太阳能应用中的电流测量需采用隔离测量技术。AD7401A 虑采用现有太阳能逆变器模块中未使用的新技术来改善性 是ADI公司以交流测量实现此类应用的众多产品之一。这 能，并尽可能降低成本。 类隔离基于iCoupler® 技术。 在该电路中，DSP控制着DC-DC转换器和DC-AC转换器。 电流互感器是一种替代隔离方法，称为电流隔离。 公用电网一般通过继电器连接。交流电流测量由AD7401A 本文介绍采用AD7401A和ADuM6000器件，并由ADI公司 实现，该器件测量输出到电网的电流，通常为25A。 设计的电流测量模块的典型性能。 太阳能光伏逆变器系统的输出端可能有隔离变压器，也可 太阳能光伏(PV)逆变器系统应用 则太阳能光伏逆变器必须测量输出电流的直流分量。该电 太阳能光伏逆变器转换来自太阳能面板的电能并高效地将 流称为直流注入，其值对电路的运行至关重要。过多直流 其输送到公用电网中。来自太阳能面板的电能基本上属于 注入到电网，结果可能使直流路径上的任何变压器饱和。 直流源，它会被转换成交流，并与电网频率成一定的相位 直流注入电流必须限制在低mA值之内。在该应用中，这 关系，馈送至公用电网上，且效率极高(95%至98%)。转换 两个任务都能够完成，由此可以实现成本的节省，因为诸 可以采用单级，也可以采用多级，如图2所示。第一级通 如霍尔效应电流传感器一类的替代方法可能需要两个器 常为DC-DC转换，其中太阳能面板的低电压与高电流输出 件：一个用于高电流范围，一个用于低电流范围。 能没有(出于节省成本的考虑)，但是，如果没有变压器， 转换为高电压与低电流。这样做的目的是为了将电压提升 至与电网峰值电压兼容的水平。第二级通常将直流电压和 AD7401A的失调性能 电流转换为交流电压和电流，一般使用H-电桥电路。(见 电流测量模块中AD7401A的失调在整个温度范围内(最高 ADI文章“借助隔离技术将太阳能光伏发电系统整合于智能 为125°C)进行测量。结果如图3所示，符合AD7401A数据手 电网”)。 册中的规格。在整个温度范围内，在分流电阻中无电流流 过的情况下，测得的最大失调变化约为±20 mA(温度范围： −40°C至+125°C)。 Rev. 0 | Page 3 of 7 CN-0280 0.5 测试中施加的电压如下： 0.4 • VDD_FPGA = 3.3 V 0.3 • MCLKIN = 16 MHz(EVAL-CED1Z，采用Altera FPGA， 0.2 ERROR (%) • VDD_ISO = 5 V 256抽取率)。 • VIN = 6 V @ 62 mA(电流检测模块输入电源电压)。 0.05 0 –0.1 –0.2 0.04 –0.3 –0.4 0.02 –0.5 0.01 AD7401 ABSOLUTE ERROR AD7401 FULL-SCALE ERROR 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 AMPS 0 10857-004 0.03 图4. AD7401A线性度性能 –0.01 –0.02 SINC3 滤波器性能 –0.03 AD7401A的额定抽取速率(DR)为256，但也可在其他抽取速 –0.04 率下使用该器件。当DR = 256时，sinc3滤波器的响应如图5所 –0.05 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50 70 80 90 105 TEMPERATURE (°C) 示，其中，输出数据速率为62.5 kHz，FFT噪底如图6所示。 10857-003 AMPS IN SHUNT/PRIMARY 0.1 0 –10 图3. AD7401A模块失调 –20 线性度性能 示，校准后可以实现低于±0.2%的线性度。分析中采用了 上一节规定的电压。图4同时展示了满量程误差和绝对误 差分析，定义如下： –30 AMPLITUDE (dB) 分析了模块在最高±28A的电流条件下的线性度。如图4所 –40 –50 –60 –80 绝对误差 = ( V分流 – V计算) / V分流 –90 –100 其中 0 V分流 = 精密分流电阻中的电流(用DVM测量) 20 80 40 60 FREQUENCY (kHz) 100 120 10857-005 –70 满量程误差= (V分流 – V计算) / V满量程 图5. Sinc3滤波器的响应(抽取速率= 256， 输出数据速率= 62.5 kHz) V计算 = 来自ADC输出的计算所得电流(AD7401A) V满量程 = 模块的满量程电流范围(28 A)。 0 使用绝对误差方法的好处在于，可以在低测量范围下分析误 –20 差，此时的误差表现较为突出。对于太阳能应用来说，这 –40 AMPLITUDE (dB) 是十分重要的，因为可以在低电流范围中测量直流注入。 –60 –80 –100 –140 0 5 10 20 15 FREQUENCY (kHz) 25 图6. 16K点FFT所示噪底(抽取速率= 256， 输出数据速率= 62.5 kHz) Rev. 0 | Page 4 of 7 31.246 10857-006 –120 CN-0280 对于较高的抽取速率，sinc3滤波器响应大幅改善。当DR = 0 1024时，sinc3滤波器的响应如图7所示，其中，数据速率为 –20 15.6 kHz。这时，系统的噪声性能有所改善，如图8所示， –40 AMPLITUDE (dB) 只是数据速率降低了。 0 –10 –20 –80 –100 –30 –40 –120 –140 –60 0 –70 2 4 5 3 FREQUENCY (kHz) 7 6 7.811 图8. 16K点FFT所示噪底(抽取速率= 1024， 输出数据速率= 15.6 kHz) –80 –90 布局考量 20 80 40 60 FREQUENCY (kHz) 100 图7. Sinc3滤波器的响应(抽取速率= 1024， 输出数据速率= 15.6 kHz) 120 设计印刷电路板(PCB)布局时应特别小心，必须符合相关 辐射标准。有关电路板布局建议，请参阅AN-0971应用笔 记。这种布局的示例如图9所示。布局的关键是确保第3层 (浮动层)与第2层(接地层)之间有良好的重叠。这一简单的 重叠可以大幅降低系统中的辐射。图10所示为PCB布局的 俯视图，图11为实际电路板照片。 10857-009 0 图9. 4层电路板示例 10857-010 –100 1 10857-008 –50 10857-007 AMPLITUDE (dB) –60 图10. 电流测量建议布局 Rev. 0 | Page 5 of 7 10857-011 CN-0280 图11. 电流测量板照片 ADI隔离式ADC和isoPower器件符合太阳能工业的需求，可 功能框图 为电力系统提供新的技术。与当今太阳能逆变器中使用的 图12显示测试设置的功能框图。 常规方法相比，使用这种技术可以改善电网集成的性能。 POWER SUPPLY +6V TO +20V AT 200mA 常见变化 AD8638运算放大器是AD8639的单通道版本。 + I+ AD7401AΣ-Δ调制器系列的其他成员包括集成10 MHz片内 时钟的AD7400。 POWER SUPPLY +7V AT 2A COM TB2 TB1 DATA GND DC SOURCE 100V AT 28A 6.5 DIGIT DVM AND CALIBRATED SHUNT I− EVAL-CN0280-EB1Z EVALUATION BOARD J7 CLOCK GND 5V GND 电路评估与测试 J4 EVAL-CED1Z CONVERTER EVALUATION AND DEVELOPMENT BOARD J12 J1 USB PC • 能在100V下输出28A电流的直流源，用于仿真源。 • 6.5位DVM和校准分流电阻，用于测量输入电流 图12. 测试设置功能框图 • EVAL-CN0280-EB1Z评估板 • 6 V、200 mA电源 • 7 V、2 A电源 • EVAL-CED1Z转变器评估和开发板软件。 • 有关sinc3滤波器的实现示例代码可在AD7401A数据手册 中找到。 Rev. 0 | Page 6 of 7 10857-012 设备要求 CN-0280 了解详情 数据手册和评估板 CN-0280 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0280-DesignSupport AD7401A Data Sheet AD8639 Data Sheet CN-0183 Circuit Note, A Novel Analog-to-Analog Isolator Using an Isolated Sigma-Delta Modulator, Isolated DC-to-DC Converter, and Active Filter, Analog Devices. Defining Smart Grids and Smart Opportunities, IMS Research, February 28, 2012. Cantrell, Mark. Application Note AN-0971, Recommendations for Control of Radiated Emissions with isoPower Devices. Analog Devices. Chen, Baoxing, John Wynne, and Ronn Kliger. High Speed Digital Isolators Using Microscale On-Chip Transformers, Analog Devices, 2003. ADuM6000 Data Sheet ADM8829 Data Sheet ADP121 Data Sheet ADP7104 Data Sheet ADP7182 Data Sheet 修订历史 2013年10月—修订版0： 初始版 Chen, Baoxing. iCoupler® Products with isoPower™ Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using Microtransformers, Analog Devices, 2006. Chen, Baoxing. “Microtransformer Isolation Benefits Digital Control.” Power Electronics Technology. October 2008. Ghiorse, Rich. Application Note AN-825, Power Supply Considerations in iCoupler® Isolation Products, Analog Devices. Krakauer, David. “Digital Isolation Offers Compact, Low-Cost Solutions to Challenging Design Problems.” Analog Dialogue. Volume 40, December 2006. MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND” and “DGND”, Analog Devices. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices. Murname, Martin, Isolation Technology Helps Integrate Solar Photovoltaic Systems onto the Smart Grid, Analog Dialogue, Analog Devices, 46-09, September 2012. (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. 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