TLP7920隔离放大器的应用电路（电流检测、电压检测）方案

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方案简介

工厂自动化（FA）市场有交流伺服、通用逆变器、太阳能发电和风力发电领域，这些应用的关键设计点是精确的电流感测、电压感测，以便每个应用都能实现运动和控制的⾼精度和稳定性以及输入和输出信号之间的隔离性能。为了实现这种⾼精度的运动和控制，系统必须监控电机的电流和电压，并将其更准确地反馈给微控制器（MCU）。TLP7920是一款隔离放大器，具有光耦合隔离功能，以满足机床和大容量电源，以上要求具有0.02%（典型）线性精度。还提供 20 kV/μs（典型值）的共模瞬态抗扰度 (CMTI)，因此即使在嘈杂的电机控制环境中也能保持稳定，5000Vrms（最小值）的保证隔离电压使TLP7920适合各种工业应用。为了实现这些特性，TLP7920在初级侧配备了⾼精度DeltaSigma AD转换器，在次级侧配备了DA转换器。TLP7920隔离放大器的初级侧和次级侧使用LED和光电二极管进行光耦合，以提供电气隔离，并且光传输与数字信号的内部信号传输实现了⾼精度信号传输。初级侧的deltasigma AD转换器将输入模拟信号编码为数字数据，然后通过LED以光学方式传输到次级侧。在次级侧，光信号由光电二极管接收，由解码器电路解码，由DA转换器转换回模拟信号，由低通滤波器（LPF）滤除内部转换噪声，然后输出正确的模拟信号。本参考指南描述了TLP7920的独特功能和特性，重点关注共模瞬态抗扰度、非线性特性和功耗，以及典型电流感应应用的设计指南。有关TLP7920其他特性和功能的详细信息，请参阅其数据表。

简易框图

应用领域

• ·工业电机应用的电流传感，包括逆变器、伺服放大器、机器人、机床、大容量电源
• ·风电、光伏逆变器、工业蓄电池系统的电流检测
• ·办公室和住宅设备的电流感应，包括不间断电源（UPS）、服务器电源、家用蓄电池系统、空调

TLP7920的主要特点

共模瞬态抗扰度 (CMTI )，共模噪声是一种电噪声，在信号线和GND线上治同一方向重叠。光电耦合器用于在两个具有独立电源的隔离电路之间光学传输信号，即使在这种情况下，任一电源的电压变化也会产生共模噪声( 例如，输入噪声从外面)。共模噪声产生位移电流流过光电合器初级( 输入)和次级(输出)侧之间的内部合电容，如果流入合电容器的位移电流超过给定水平，则光电糟合器发生故障，然后导致系统运行故障。瞬态共模噪声产生的位移电流可能会导致隔离放大器出现误码，最坏的情况会导致 GBT短路故障。因此，容忍共模噪声对于系统的稳定运行非常重要。 CMTI表示隔离放大器承受 GND 线上感应的言转换速率瞬态电压的能力。具有高 CMTI的隔离放大器具有较高的抗共模噪声能力，适合需要电气隔离的应用。

TLP7920器件简介

TLP7920 是一款光耦合隔离放大器,具有高精度 delta-sigma AD，级侧有一个 DA 转换器,次级侧有一个 DA 转换器。

• ·推荐电源电压范围:原边 =4.5至5.5V,副边=3.0至5.5V
• ·工作温度范围: -40 至+105°C
• ·共模瞬态抗扰度(CMTI):15kV/us (最小值)
• ·低功耗:初级电源电流 = 8.6 mA (典型值)，次级电源电流= 6.2 mA (典型值)
• ·优异的输出非线性特性:
• ·NL200=0.02% (典型值)at Vin+ =-200mV to +200mV
• ·NL100=0.015% (典型值)at Vin+ =-100mVto+100mV
• ·出色的温度稳定性：
• ·输入失调漂移 :2uV/C (典型)
• ·增益漂移:0.00012VNC (典型值)
• ·VOUT非线性漂移:0.00007%C (典型值)
• ·安全标准：

1. ·UL 认证:UL1577,文件号 E67349
2. ·CUL 认证:CSA组件验收服务编号5A 文件号 E67349
3. ·VDE 认证:EN60747-5-5EN60065EN60950-1EN 62368-1(注1)

注1:当需要 VDE认可的零件时,请指定选项 (D4)

施加共模电压(VCM)时TLP7920的输出波形

逆变电路包含分立式IGBT( 或1GBT 模块),集电极-发射极电压(VCE)为 600 至 650V 或 1200V。 600V至650V一般在400V电源电压下使用，1200V一般在800V电源电压下使用。通常，IGBT开关时的上升和下降时间约为100ns。在这些条件下，VCM的转换速率dV/dt在 400V 电源电压下计算为 4kV/ps,在 800V 电源电压下为 8KV/ps。下图显示了施加 4kV/us 和 8kV/us 压摆率的共模电压(VCM)时 TLP7920 的输出波形示例。如下图所示，VOUT没有太多噪声，这证明TLP7920具有足够的CMTI性能来完成实际应用。

施加共模电压(VCM)时TLP7920的输出波形

输出线性特性

当系统反馈需要使用隔离放大器检测电流波动时，输入输出线性特性对于正确控制系统非常重要。具有不良线性特性的隔放大器的输出不能准确地响应特定的输入，因此缺乏系统的稳定性和准确性。在速度不断提高的趋势下，对逆变器的精确控制提出了要求，而隔离放大器将输出误差最小化也非常重要。尽管可以使用电子电路或软件来校正输出错误，但是考虑到设备特性的变化，这两种方法都非常复杂且困难，不切实际。使用具有高精度线性特性的隔离放大器更为实用。

使用TLP7920的电流检测电路示例

使用TLP7920的电流检测电路示例

输入电压上叠加的噪声

运行仿真,在输入电压 Vin1 上叠加噪声信号(100 mVp-p 的 500 kHz 正波)。其他条件与之前的模拟相同，下图显示了仿真电路。

带噪声的仿真波形

带噪声的仿真波形

带模拟滤波器的电路

带模拟滤波器的电路

带滤波器电路的仿真结果

上图提供了仿真结果,表明滤波器消除了输出波形中的噪声。输出是 1.64Vp-p 的 10kH正弦波,其幅度是 0.2Vp-p 输入信号(10kHz正弦波)的 x8.2倍这等于 TLP7920 的指定典型增益 x8.2,表明仿真运行正常。

带滤波器电路的仿真结果

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