探究應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動的隔離運(yùn)放單端和差分輸出對采樣性能的影響

Other Parts Discussed in Post:AMC1200, AMC1300, AMC1301, AMC1311

作者：Yuan Tan

隔離運(yùn)放在電機(jī)驅(qū)動中的應(yīng)用：

電機(jī)驅(qū)動器是用來控制各種電機(jī)，比如AC變頻器，伺服電機(jī)的一種控制器。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)傳動系統(tǒng)定位。高分辨率、精確電壓電流測量在需要高性能扭矩和運(yùn)動控制的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中至關(guān)重要。因為工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器需要滿足 (IEC) 61800-5-1的電氣安全的需求，所以相應(yīng)需要采取普通或加強(qiáng)型的隔離電路設(shè)計。相較于霍爾效應(yīng)傳感器、磁通門傳感器與電流互感器， 分流電阻器加隔離運(yùn)放的方案在線性度、帶寬和漂移等性能更好。在電機(jī)驅(qū)動器中，通常會在功率板用隔離采樣運(yùn)放來對相電流，母線電流和母線電壓等進(jìn)行采樣，如下圖1：

圖1 電機(jī)驅(qū)動器電壓電流采樣

下圖所示，是使用隔離運(yùn)放來進(jìn)行相電流采樣的常見結(jié)構(gòu)和內(nèi)部原理圖。

圖2 相電流采樣的常見結(jié)構(gòu)

應(yīng)用在該系統(tǒng)里的隔離運(yùn)放TI明星產(chǎn)品如下表：

表1 應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的隔離運(yùn)放明星產(chǎn)品

隔離運(yùn)放單端和差分輸出對采樣性能的影響：

運(yùn)放的差分輸出結(jié)構(gòu)因具有更好的抗干擾性而廣泛存在，但是后級MCU的ADC一般為單端輸入，所以常規(guī)做法是在靠近MCU內(nèi)置ADC輸入的位置，加上一個單端轉(zhuǎn)差分的運(yùn)放。那么經(jīng)常會產(chǎn)生疑問，能不能不額外加這個運(yùn)放，直接將隔離運(yùn)放的差分輸出的一個腳接地，另一個腳接入MCU的內(nèi)置ADC呢？如果這樣做，會帶來什么問題呢？

我們以AMC1311為例來探討這個問題。

首先，為了更直觀地了解AMC1311的輸出性能，AMC1311的差分輸出Outp和Outn的波形可以通過TINA仿真電路得到, TI.com提供PSpice模型：https://www.ti.com/product/AMC1311#design-development

圖3 AMC1311的TINA仿真模型參考電路

輸入采樣量Vin=0~2V正弦，輸出波形如下圖4，

Outp: 1.44~2.44V, ΔVpp_p=1V

Outn: 0.44~1.44V, ΔVpp_n=1V

Out: 0~2V, ΔVpp=2V

Outp和Outn的波形以1.44V呈鏡像。

圖4 AMC1311的pspice仿真輸出波形

如果將Outn懸空或通過電阻接地（注意，輸出腳不可以直接接地，接地電阻建議10k?），將Outp直接接入后級單端輸入ADC里。帶來的影響：

共模輸出電壓Vcmout誤差的影響

從AMC1311數(shù)據(jù)手冊得知：Vcmout=1.44±50mV。若差分結(jié)構(gòu)輸出，Outn與Outp因為互呈鏡像，兩者相減得到Out，Vcmout的50mV的誤差可以認(rèn)為相互抵消，忽略不記。但是單端結(jié)構(gòu)則不然。這個±50mV會帶來原始的Vos誤差。對于單端結(jié)構(gòu)，當(dāng)輸入腳短接，Out的值理論上為1.44V，如果不是， 那么需要進(jìn)一步的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作一般在MCU的算法中進(jìn)行。

對后級ADC的SNR的影響

SNR(signal to noise ratio)是重要的AC指標(biāo)，影響ADC的有效位數(shù)ENOB，理想公式為：

而SNR的公式定義如下：

圖5 SNR定義

單端輸出的交流幅值是差分輸出的一半，所以如果采用單端結(jié)構(gòu)，那么SNR指標(biāo)會變差，進(jìn)而影響ADC有效位數(shù)。所以，相較于差分輸出結(jié)構(gòu)，單端輸出結(jié)構(gòu)對于運(yùn)放輸出范圍和后級ADC輸入范圍的利用率僅為一半，會帶來對于Vos以及SNR指標(biāo)的不良影響?？蛻粼诓捎眠@種結(jié)構(gòu)時，需要考慮這些不良影響。

隔離運(yùn)放輸出單端轉(zhuǎn)差分輸出方案推薦

通過添加后級運(yùn)放可以在實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端的同時進(jìn)行信號調(diào)理可以完美適配后級ADC的輸入要求，解決上述問題。圖6所示是示意電路，設(shè)計詳情可以參考TI的技術(shù)文章sbaa229：Interfacing a Differential-Output (Isolated) Amplifier to a Single-Ended Input ADC。

圖6 差分轉(zhuǎn)單端外部電路

對于提供內(nèi)置差分輸入ADC的MCU，比如C2000系列的TMS320F2837x同時提供16bit差分輸入的ADC通道和12bit單端輸入的ADC通道，可以為信號處理提供更多自由度。如果想要追求更高的精度，可以免去中間電路，直接將差分運(yùn)放的輸出接到對應(yīng)的差分輸入ADC模塊，同時獲得更好的精度和信噪比。如圖7：

圖7 AMC1311和TMS320F283777S電路示意圖

本文介紹在應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動器中，采用隔離運(yùn)放的系統(tǒng)架構(gòu)和TI明星產(chǎn)品。涉及了相關(guān)電路設(shè)計和外部信號調(diào)理與MCU的配合。結(jié)合后級ADC，深入討論了隔離運(yùn)放單端結(jié)構(gòu)輸出和差分結(jié)構(gòu)輸出對整體采樣性能的影響，提供了相應(yīng)的分析和建議。

總結(jié)來說，如果采用內(nèi)置差分輸入ADC的MCU，比如C2000系列的TMS320F2837x，可以免去中間電路，直接將差分運(yùn)放的輸出接到對應(yīng)的差分輸入ADC模塊，同時獲得更好的精度和信噪比；如果采用內(nèi)置單端輸入ADC的MCU，添加一顆簡單運(yùn)放比如TLV6001，可以在實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端的同時進(jìn)行信號調(diào)理可以更加完美地適配后級ADC的輸入要求。如果想要省去額外調(diào)理運(yùn)放，可以采用一端電阻接地，但需要考慮對于采樣準(zhǔn)確度和信噪比的不良影響。

審核編輯：金巧