摘要

在高壓工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，隔離采樣技術(shù)能夠保護(hù)低壓電路免受高壓電源電路故障的影響，同時(shí)確保不同電壓域之間維持通信，從而顯著提高系統(tǒng)可靠性。

NSI1400是一款基于納芯微電容隔離技術(shù)的高性能隔離放大器，其輸出與輸入相互隔離。該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于分流電流監(jiān)測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源、光伏逆變器等多個(gè)領(lǐng)域。為了幫助客戶簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，本應(yīng)用指南介紹了如何根據(jù)客戶的電流采樣需求使用NSI1400。

1. 典型應(yīng)用電路

NSI1400隔離放大器非常適合用于高壓應(yīng)用場(chǎng)景中的分流電阻式電流采樣，比如電機(jī)驅(qū)動(dòng)。典型的應(yīng)用電路如圖1所示。

分流電阻Rsense兩端的電壓通過RC濾波器（RFLT和CFLT）施加到NSI1400的差分輸入端。為了實(shí)現(xiàn)輸入開關(guān)電容電路的電荷緩沖（參見2.1節(jié)“采用開關(guān)電容電路的模擬輸入”了解更多詳細(xì)信息），必須增加大于330pF的濾波電容，并確保其位置盡可能靠近NSI1400，以提升在高噪聲應(yīng)用場(chǎng)景中的性能。

隔離放大器的差分輸出通過基于運(yùn)算放大器的電路轉(zhuǎn)換為單端模擬輸出。建議在OUTP和OUTN引腳上添加大于1kΩ的電阻，以防止輸出過流。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通常在后端接收這個(gè)單端模擬輸出信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便控制器進(jìn)行處理。

圖1. 相電流采樣典型應(yīng)用電路

2.輸入調(diào)理電路

在NSI1400的應(yīng)用中，如果輸出誤差（比如，增益誤差或輸入失調(diào)電壓）異常地超出數(shù)據(jù)表規(guī)定的規(guī)格，這可能歸咎于輸入調(diào)理電路設(shè)計(jì)不當(dāng)。本節(jié)將根據(jù)NSI1400的開關(guān)電容模擬輸入電路和抗混疊原理，介紹NSI1400應(yīng)用的推薦輸入調(diào)理電路。

2.1采用開關(guān)電容電路的模擬輸入

作為NSI1200/NSI1300的迭代升級(jí)產(chǎn)品，NSI1400在輸入架構(gòu)方面進(jìn)行了優(yōu)化，旨在減少由輸入偏置電流引起的采樣誤差。然而，這種架構(gòu)變化對(duì)輸入濾波電容的選擇提出了新的要求（建議大于330pF）。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致采樣誤差增加。為了更好地幫助客戶理解，下面將詳細(xì)解釋NSI1400的輸入架構(gòu)。

NSI1400的模擬輸入是基于二階Σ-Δ調(diào)制器的開關(guān)電容電路。模擬輸入的等效電路如圖2所示。內(nèi)部電容CIND通過周期性開關(guān)動(dòng)作以12MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率fCLK連續(xù)充放電，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)數(shù)字化。在充電階段，S1閉合，S2斷開，CIND充電至輸入差分電壓。在放電階段，S1斷開，S2閉合，CIND放電至GND1+0.9V的電壓水平。根據(jù)等效電路，可以按下面的公式計(jì)算輸入電阻RIND：

圖2. 模擬輸入的等效電路

當(dāng)電容性負(fù)載切換到輸入端時(shí)，由于電荷重新分配，輸入信號(hào)幅度會(huì)暫時(shí)下降。輸入源嘗試糾正這種情形，同時(shí)由于較長(zhǎng)輸入線路表現(xiàn)出類似電感的特性，這個(gè)過程中可能會(huì)出現(xiàn)過度振鈴現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，每個(gè)輸入端增加外部電容器可以幫助提供采樣過程中產(chǎn)生的電流尖峰。選用容量大于330pF的外部電容器（圖1所示CFLT，也作為濾波電容）是提高瞬態(tài)電荷供應(yīng)能力的一種方法。輸入電容器應(yīng)盡可能靠近NSI1400放置，以抑制振蕩并確保采樣精度。

2.2 抗混疊原理

采樣系統(tǒng)能夠以高精度處理的最高頻率信號(hào)稱為其奈奎斯特極限。采樣率必須大于或等于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍。如果輸入信號(hào)頻率超過奈奎斯特頻率，通帶中會(huì)產(chǎn)生冗余或有害信號(hào)，這種現(xiàn)象稱為混疊。圖3闡明了信號(hào)混疊機(jī)制。例如，采樣率fs為1MHz，采樣信號(hào)帶寬為fs的一半，即500kHz（奈奎斯特頻率）。在采樣過程中，頻率為fin（fin>fs/2）的輸入信號(hào)會(huì)鏡像至通帶中，成為頻率為fs-fin的錯(cuò)誤混疊信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，通常設(shè)置更高的采樣率，以提供一定的裕量并減少濾波需求。

圖3.信號(hào)混疊機(jī)制

除了滿足輸入信號(hào)頻率低于奈奎斯特極限的要求，采樣系統(tǒng)的輸入信號(hào)通常包含頻率超過奈奎斯特頻率的高頻噪聲。這些噪聲會(huì)混疊到通帶成為干擾信號(hào)。因此，需要在采樣系統(tǒng)輸入端設(shè)置抗混疊濾波器，從而在采樣前濾除高頻噪聲，避免噪聲混疊。選擇的濾波器應(yīng)考慮截止頻率可以消除采樣輸入的高頻噪聲或至少將其衰減至不會(huì)對(duì)采樣信號(hào)產(chǎn)生明顯影響的程度。

NSI1400是一個(gè)采樣頻率為12MHz的采樣系統(tǒng)。為了防止混疊到通帶內(nèi)的高頻噪聲，抗混疊濾波器的截止頻率不超過6MHz。

2.3 輸入濾波器設(shè)計(jì)

NSI1400的輸入調(diào)理濾波器設(shè)計(jì)考慮了電荷緩沖需求、抗混疊、輸入信號(hào)頻率和系統(tǒng)帶寬等因素，如圖1所示。

為了滿足輸入開關(guān)電容電路的電荷緩沖需求，濾波電容器的容量需大于330pF。表1列出了在不同輸入濾波電容條件下，NSI1400的增益誤差測(cè)量結(jié)果。根據(jù)規(guī)格書指標(biāo)，增益誤差在±0.3%以內(nèi)。因此，需要選擇容量大于330pF的濾波電容器，而容量大于1nF的濾波電容器更佳。

表1.NSI1400樣片在不同輸入濾波電容下的增益誤差

針對(duì)存在高頻干擾應(yīng)用的抗混疊需求，抗混疊濾波器的截止頻率不超過6MHz，如第2.2節(jié)所示。

位于INN和INP引腳之間的電容器用于濾除差分噪聲，稱為差分電容器Cdiff。位于INN/INP引腳與GND1之間的電容器用于濾除共模噪聲，稱為共模電容器Ccm。為了減少不同輸入引腳的共模電容誤差影響，建議Cdiff值至少是Ccm值的10倍。這可以防止由于元件容差導(dǎo)致共模噪聲被轉(zhuǎn)換為差分噪聲。如果系統(tǒng)的共模噪聲在可接受范圍內(nèi)，則無(wú)需設(shè)置Ccm?？蛻艨梢愿鶕?jù)自身需求調(diào)整濾波器的設(shè)計(jì)。共模噪聲濾波器和差分噪聲濾波器的截止頻率如下所示：

(未完持續(xù))

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