在高壓隔離測(cè)量應(yīng)用中，工程師常面臨如何選擇合適隔離放大器的問(wèn)題，例如“差分輸出與單端輸出哪種更優(yōu)？”或“如何實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量？”。本文將重點(diǎn)介紹 ADI 的 ADuM4195-1 隔離放大器，分析其特性及其在電壓檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。

圖1 ADI ADuM4195-1 隔離放大器產(chǎn)品圖

電壓檢測(cè)用隔離放大器的關(guān)鍵性能要求

隔離放大器在高壓測(cè)量中用于提高高壓測(cè)量的精度，但隔離放大器的哪些特性適合實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)？接下來(lái)我們來(lái)看看用于電壓傳感的隔離放大器的主要應(yīng)用，以及每種應(yīng)用對(duì)隔離放大器的要求。

電壓檢測(cè)用隔離放大器的用途和要求

電壓檢測(cè)用隔離放大器的用途和要求

即使在惡劣的溫度環(huán)境中也能進(jìn)行高精度測(cè)量

通過(guò)減少元件數(shù)量，可以提高可靠性

堅(jiān)固耐用，能夠承受長(zhǎng)期使用

可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施 (逆變器等) 的絕緣測(cè)量

即使在高壓環(huán)境中也能確保安全性

電動(dòng)汽車(chē) (動(dòng)力總成、充電設(shè)備、電池管理系統(tǒng)等) 的絕緣測(cè)量

電路小型化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)有限的安裝空間

即使在惡劣的噪聲環(huán)境中也能進(jìn)行精確測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)更大的續(xù)航里程

ADuM4195-1 隔離放大器的核心特性

ADuM4195-1 是一款固定增益、單端輸出隔離放大器。下圖 (圖2) 為 ADuM4195-1 電路框圖，它的主要特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)高精度電壓檢測(cè)電路。

圖2 ADuM4195-1 電路框圖

具有高隔離性能的緊湊型封裝

采用 8 引腳寬體 SOIC 封裝，爬電距離更大，適合高壓應(yīng)用

高精度輸出

輸出電壓范圍：0.25V~4.3V (典型值)

輸出偏置電壓：±5mV (最大)

輸出增益誤差：±0.5% (最大)

低功耗

初級(jí)側(cè)電流：4.9mA (最大)

次級(jí)側(cè)電流：7.3mA (最大)

ADuM4195-1 的三大核心優(yōu)勢(shì)——單端輸出、寬輸入/輸出電壓范圍 (0.25V~4.3V) 和高輸入阻抗 (1GΩ 典型值)，它減少了組件數(shù)量，節(jié)省了空間，并提高了準(zhǔn)確性和可靠性，使其成為高壓測(cè)量的理想選擇。以下詳細(xì)分析這些優(yōu)勢(shì)。

單端輸出，寬輸入/輸出電壓范圍

電壓感應(yīng)電路的單端輸出有哪些優(yōu)勢(shì)？下圖 (圖3) 為一個(gè)典型的差分輸出隔離放大器和 ADuM4195-1 的電路配置對(duì)比圖，我們通過(guò)二者來(lái)進(jìn)行比較說(shuō)明。可以看出，單端輸出減少了元件數(shù)量并提高了可靠性。

圖3 典型的差分輸出隔離放大器與 ADuM4195-1 的電路配置對(duì)比圖

通常在電壓感應(yīng)電路中，隔離放大器的輸出信號(hào)通常需要傳輸至微控制器內(nèi)置的 AD 轉(zhuǎn)換器。對(duì)于具有差分輸出的隔離式放大器，從兩個(gè)端子輸出的差分信號(hào)必須先轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，然后才能輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，傳統(tǒng)隔離放大器的輸入和輸出電壓范圍通常在 2V 左右，往往需要額外的放大和電平轉(zhuǎn)換來(lái)匹配適合 AD 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍。

這種信號(hào)調(diào)理過(guò)程需要依賴(lài)外部電路 (如多級(jí)運(yùn)放)，不僅增加了元件數(shù)量，還會(huì)引入多種誤差源——包括運(yùn)放的失調(diào)電壓、增益誤差，以及電阻元件的溫漂特性等。這些因素不僅會(huì)擴(kuò)大電路板面積，還可能迫使系統(tǒng)增加校準(zhǔn)環(huán)節(jié)。

另一方面，ADuM4195-1 具有單端輸出架構(gòu)，無(wú)需在模數(shù)轉(zhuǎn)換器前面進(jìn)行差分單端轉(zhuǎn)換。此外，寬輸入和輸出電壓范圍 (0.25V~4.3V) 也免除了額外的對(duì)放大電路需求。這種設(shè)計(jì)顯著減少了元件數(shù)量，在實(shí)現(xiàn)電路小型化的同時(shí)提高了可靠性，更便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)估。

高輸入阻抗的優(yōu)勢(shì)

高輸入阻抗 (1GΩ) 是 ADuM4195-1 的另一大亮點(diǎn)。如下圖 (圖4) 所示，無(wú)論是直接輸入 (CASE1) 還是通過(guò)電阻分壓器輸入 (CASE2)，ADuM4195-1 的測(cè)量結(jié)果均保持一致，誤差極小。

圖4 高輸入阻抗最大限度地減少了系統(tǒng)誤差源

在測(cè)試中，ADuM4195-1 電路對(duì)直接輸入 (CASE1) 和電阻分壓器輸入 (CASE2) 的測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出高度一致性。無(wú)論有沒(méi)有電阻分壓器，結(jié)果一致是由于 ADuM4195-1 的高輸入阻抗。ADuM4195-1 具有 1GΩ 的高輸入阻抗，能有效降低通過(guò)電阻分壓器輸入時(shí)產(chǎn)生的偏置電流誤差。由于 ADuM4195-1 不需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端配置額外電路，既避免了輸入級(jí)偏置電流引入的誤差，又消除了輸出級(jí)外部電路帶來(lái)的干擾，從而將系統(tǒng)整體誤差控制在最低水平。

相比之下，在使用低輸入阻抗的隔離放大器的電路中，其 CASE1 和 CASE2 測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)明顯差異。這是因?yàn)楫?dāng)信號(hào)通過(guò)電阻分壓器輸入時(shí)，偏置電流會(huì)極大地影響測(cè)量精度。如前文所述，差分輸出放大器的誤差因數(shù)會(huì)隨著外部電路的增加而增加。如果輸入阻抗也很低，則輸入和輸出處都存在誤差因子，這將導(dǎo)致系統(tǒng)電路整體誤差顯著增大。

在實(shí)際電壓檢測(cè)應(yīng)用中，電阻分壓器是最常用的前端電路，輸入由電阻分壓器主導(dǎo)，因此 ADuM4195-1 的高輸入阻抗成為顯著的優(yōu)勢(shì)。ADuM4195-1 有助于實(shí)現(xiàn)精確、可靠且節(jié)省空間的電壓檢測(cè)電路方案。本文介紹的 ADuM4195-1 是 ADI 專(zhuān)為電壓檢測(cè)優(yōu)化的隔離放大器，現(xiàn)提供評(píng)估板供工程師驗(yàn)證使用。

圖5 ADUM4195-1 評(píng)估板

應(yīng)用實(shí)例

EV 電池電壓檢測(cè)

可再生能源逆變器