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

圖1 ADI ADuM4195-1 隔離放大器產(chǎn)品圖

電壓檢測用隔離放大器的關鍵性能要求

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

電壓檢測用隔離放大器的用途和要求

電壓檢測用隔離放大器的用途和要求

即使在惡劣的溫度環(huán)境中也能進行高精度測量

通過減少元件數(shù)量，可以提高可靠性

堅固耐用，能夠承受長期使用

可再生能源基礎設施 (逆變器等) 的絕緣測量

即使在高壓環(huán)境中也能確保安全性

電動汽車 (動力總成、充電設備、電池管理系統(tǒng)等) 的絕緣測量

電路小型化設計，以適應有限的安裝空間

即使在惡劣的噪聲環(huán)境中也能進行精確測量，從而實現(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，它的主要特點有如下幾點，有助于實現(xiàn)高精度電壓檢測電路。

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

初級側電流：4.9mA (最大)

次級側電流：7.3mA (最大)

ADuM4195-1 的三大核心優(yōu)勢——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，并提高了準確性和可靠性，使其成為高壓測量的理想選擇。以下詳細分析這些優(yōu)勢。

單端輸出，寬輸入/輸出電壓范圍

電壓感應電路的單端輸出有哪些優(yōu)勢？下圖 (圖3) 為一個典型的差分輸出隔離放大器和 ADuM4195-1 的電路配置對比圖，我們通過二者來進行比較說明。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 的電路配置對比圖

通常在電壓感應電路中，隔離放大器的輸出信號通常需要傳輸至微控制器內(nèi)置的 AD 轉換器。對于具有差分輸出的隔離式放大器，從兩個端子輸出的差分信號必須先轉換為單端信號，然后才能輸入到模數(shù)轉換器。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換來匹配適合 AD 轉換器的輸入電壓范圍。

這種信號調(diào)理過程需要依賴外部電路 (如多級運放)，不僅增加了元件數(shù)量，還會引入多種誤差源——包括運放的失調(diào)電壓、增益誤差，以及電阻元件的溫漂特性等。這些因素不僅會擴大電路板面積，還可能迫使系統(tǒng)增加校準環(huán)節(jié)。

另一方面，ADuM4195-1 具有單端輸出架構，無需在模數(shù)轉換器前面進行差分單端轉換。此外，寬輸入和輸出電壓范圍 (0.25V~4.3V) 也免除了額外的對放大電路需求。這種設計顯著減少了元件數(shù)量，在實現(xiàn)電路小型化的同時提高了可靠性，更便于系統(tǒng)設計與評估。

高輸入阻抗的優(yōu)勢

高輸入阻抗 (1GΩ) 是 ADuM4195-1 的另一大亮點。如下圖 (圖4) 所示，無論是直接輸入 (CASE1) 還是通過電阻分壓器輸入 (CASE2)，ADuM4195-1 的測量結果均保持一致，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

在測試中，ADuM4195-1 電路對直接輸入 (CASE1) 和電阻分壓器輸入 (CASE2) 的測量結果表現(xiàn)出高度一致性。無論有沒有電阻分壓器，結果一致是由于 ADuM4195-1 的高輸入阻抗。ADuM4195-1 具有 1GΩ 的高輸入阻抗，能有效降低通過電阻分壓器輸入時產(chǎn)生的偏置電流誤差。由于 ADuM4195-1 不需要在模數(shù)轉換器前端配置額外電路，既避免了輸入級偏置電流引入的誤差，又消除了輸出級外部電路帶來的干擾，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 測量結果會出現(xiàn)明顯差異。這是因為當信號通過電阻分壓器輸入時，偏置電流會極大地影響測量精度。如前文所述，差分輸出放大器的誤差因數(shù)會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，這將導致系統(tǒng)電路整體誤差顯著增大。

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

圖5 ADUM4195-1 評估板

應用實例

EV 電池電壓檢測

可再生能源逆變器