作者：Juan Carlos Rodriguez，功率转换系统工程师

摘要

本文探讨隔离式双向DC-DC功率传输的实现方案，即通过调整专用数字控制器，使其除了具有标准的正向功率传输(FPT)功能外，还支持反向功率传输(RPT)功能。文中将介绍系统建模、电路设计和仿真，并通过实验对理论概念进行了验证。应用表明，在两个能量传输方向上，转换效率始终高于94%。

简介

模块化电池储能系统(ESS)有助于可再生电力的有效利用，因而是构建绿色能源生态系统的关键技术。梯次利用电池ESS应用日趋广泛。在这个子市场中，预计高达80%的废弃电池会用于ESS，在固定电网服务中焕发新生，从而将电池的使用寿命从5年延长到15年。预计到2030年，这些系统会给电网增加1 TWh的容量。¹在不久的将来，这种新兴应用必将在能源市场中变得更加重要。

典型实现方案是将不同电池模组堆叠起来，通过功率转换器将其能量传输到集中式交流或直流母线（随后以某种形式将能量分配给负载）。此类系统的挑战在于，每个模组具有不同的化学组成、容量和老化曲线。在传统的模块化拓扑中，最弱的模组会影响整个电池堆的总可用容量（图1）。

图1.模块化ESS的挑战

图2.基于电池的模块化ESS

为了解决这一限制，在图2所示的架构中，电池堆中的能量通过每个电池模组的单独DC-DC转换器传输到公共中间直流母线。然后，该能量通过主功率转换器支持集中式中压(MV)交流或直流母线。图2中的电压和功率水平是根据市场上ESS的典型数据选择的：48 V电池模组、400 V (DC)中间直流母线、20 kW以上（高功率）主功率转换器以及高达1500 V的集中式母线²。

在图2中，电池堆中每个模组的接地基准不同，因此需要通过隔离让每个电池模组实现单独的DC-DC转换器。此外，为了支持梯次利用电池ESS等混合系统，每个转换器还必须能够双向传输功率。这样，就能轻松实现每个模组的独立充放电以及电荷平衡。因此，本文讨论的应用核心模块是DC-DC转换器，它既是隔离的也是双向的。

下面将说明，如何调整功率转换专用的数字控制器（通常仅针对单向功率传输而构建），使其支持双向操作，这样控制器就能作为一种良好的替代方案来安全可靠地实现所需类型的DC-DC转换器。

功率转换应用的专用数字控制器

对于高功率DC-DC转换器（大于1 kW）中开关器件的控制，数字控制是当前的工业标准，而且它通常基于微控制器单元(MCU)。³尽管如此，由于各种工业应用更加重视功能安全(FS)，因此使用专用数字控制器可能更有优势。从系统设计的角度来看，更简单的功能安全认证可以简化设计过程，从而缩短总体开发时间，更快获取收益，因此在模块化实施中特别有利。

专用数字控制器优于MCU的一些原因概述如下⁴。

►微控制器依赖于软件，包含的状态数量较多，被认为不稳定，因此在IEC 61508标准制定之前，安全系统中不允许使用微控制器。MCU的大量“功能安全”工作都在软件开发阶段。

►除了软件之外，MCU本身也必须经过认证。

►虽然专用数字控制器（作为可配置设备）仍然是数据驱动的，但其配置过程使用有限可变语言(LVL)，而不是MCU特有的完全可变语言(FVL)。

►作为顺序数字机，专用数字控制器的功能可以通过测试全面验证，而这对于MCU中的软件来说一般是不可能的。因此，当使用专用控制器时，设备会集成核心安全功能。

►与专用控制器中的集成安全功能相比，MCU实现方案中增加的安全功能可能需要相当多的额外硬件。当使用故障模式、影响和诊断分析(FMEDA)时，额外的硬件往往会增加系统级别的复杂性。

►使用专用控制器时，额外的安全性（如果需要）可以通过外部MCU（通常在系统级别提供）获得。

ADI公司的ADP1055是一款专为隔离式DC-DC高功率转换而设计的数字控制器，提供了一系列功能来提高效率和安全性。这些功能包括：可编程过流保护(OCP)、过压保护(OVP)、欠压保护(UVLO)和过温保护(OTP)。与市场上许多现成的等效器件一样，该控制器设计用于单向能量传输，即FPT。为了实现双向操作，使用该控制器的应用必须进行调整，以便也能在RPT下工作。下一部分将探讨对FPT和RPT模式都很重要的一个方面，即目标DC-DC转换器的效率，在调整过程开始之前必须了解这一点。

图3.功率转换拓扑仿真：标准操作中的(a)模型和(b)效率

实现高效能量转换

在各种隔离式双向直流功率传输技术中，图3a中的架构因其实现简单而成为商业上最常用的架构之一⁵。

表1.仿真研究参数

这种拓扑既可以看作是FPT中的电压馈送全桥到中心抽头同步整流器，也可以看作是RPT中的电流馈送推挽式转换器到全桥同步整流器。为了说明应用的常见挑战，图中显示了一个典型用例，其初级（直流母线）为400 V (DC)，次级（电池模组）为48 V (DC)，功率水平大于1 kW。使用LTspice^®对开关频率为100 kHz的典型宽带隙(WBG)功率器件的操作进行仿真。仿真使用的参数如表1所示。

图3b中的结果显示，当使用常规硬开关(HS) PWM时，较高功率水平下的效率迅速下降。将RPT与FTP进行比较时，这一点更加突出。为了改进操作，我们确定了两种主要损耗机制，通过下文说明的相应开关技术可以降低损耗。

►软开关：图4a显示在这种低漏感设计中，当使用常规PWM时，初级开关MA和MB在无源到有源开关转换过程中不会快速关断。这种状况会在整个系统中产生较高的开关损耗。在这种情况下，使用相移(PS) PWM（亦称零电压开关(ZVS)或软开关）有助于在这些转换期间将漏源电压降至零。为此，我们可以提供与负载相关的适当死区时间，使得开关的漏源电容可以完全放电。应用相移的结果如图4b所示。

►有源箝位：图5a显示在次级开关MR1和MR2关断期间，在其漏源电压上观察到很大的尖峰和振铃。这些瞬态事件会危及开关的完整性，浪费能量，并导致电磁干扰(EMI)。使用附加开关（例如图3中的M_CLAMP）实现数字控制有源箝位是减轻该尖峰负面影响的较佳备选方案⁶。这样可以进一步提高该架构的效率。应用某种形式有源箝位的结果如图5b所示。

实施这些策略后，5 kW时RPT模式下的转换器效率从不足80%提高到90%以上。这些仿真研究也预测到FPT和RPT具有相似的效率，如图3b所示。

为了实现这些开关功能，ADP1055提供6个可编程PWM输出以形成开关时序，并提供2个可配置为有源箝位吸收器的GPIO。这两种功能都可以在用户友好的GUI中轻松编程实现。有关该数字控制器的这些和其他功能的优势，请参阅ADP1055-EVALZ用户指南，其中考虑了标准FPT应用。

确定实现可行效率水平的机制（对于本应用的FPT和RPT模式均适用）后，接下来我们探讨如何调整以适应RPT。

图4.初级开关无源到有源转换：(a) HS PWM，(b) PS PWM

图5.初级开关无源到有源转换：(a) HS PWM，(b) PS PWM

适应反向功率传输

为了演示所研究的应用在RPT下的运行情况，我们创建了低压(LV)实验装置进行概念验证。此装置基于ADP1055-EVALZ用户指南中的硬件，最初设计用于48 V_DC至12 V_DC/240 W FPT的标准情况，使用ADP1055作为主控制器，开关频率f_SW = 125 kHz。为了适应RPT操作，需要适当修改硬件和软件。图6（上）显示了针对此任务的信号链硬件部分，其重点如下：

图6.信号链利用专用数字控制器来适应RPT

►使用两个匹配的隔离式半桥栅极驱动器ADuM3223来导通和关断四个初级开关。这些驱动器的精密时序特性（隔离器和驱动器最大传播延迟为54 ns）可准确地将控制信号反映到PWM中。

►ADP1055-EVALZ用户指南中的隔离电源单元经过重新接线，并补充了一个辅助精密LDO (ADP1720)，以适应系统中的两个接地基准，并为应用中的所有不同IC供电。

►在测量部分，分流电阻上的电流测量端子发生交换，以便在控制器的端子CS2+和CS2-上以正确的方向测量整个转换器的变压器次级的输出电流。

►最后，隔离式放大器ADuM4195用于安全、准确地测量直流母线电压。在RPT模式下，直流母线电压是输出变量，而在FPT模式下，电池侧电压是受控输出。

基于ADuM4195的测量方案是对控制环路硬件的一项重要补充。除了安全的5 kV隔离电压（从高压初级侧到低压控制侧）、多达4.3 V的宽输入范围以及精度约为0.5%的基准电压外，ADuM4195还有高达200 kHz的最小带宽。与典型的并联稳压器和光耦合器解决方案相比，它支持实现更快的环路操作，从而提供更好的瞬态响应，这对于应用在125 kHz开关频率下的运行至关重要。图7显示了最终的实验装置，图6中增加的硬件在基于ADuM4195的测量子卡中实现，该子卡已添加到ADP1055-EVALZ用户指南中的原始评估板中。

图7.RPT概念验证的实验装置

图6（下）还描述了为适应RPT在软件方面的配置。我们深入研究了数字控制系统。结果通过流程的描述块进行总结说明，如下所示：

►通过更改PWM设置，使占空比变化与次级电感充电成比例，来实现正确的稳态响应。这是根据该架构在RPT模式下的升压型操作而得出的。

►我们采用ADP1055-EVALZ用户指南中设计的LCL输出滤波器，通过交流小信号等效电路技术来确定设备在拉普拉斯域中的转换函数Gp(s)⁷。与FPT不同，设备在RPT下的响应是具有右侧零点(RHZ)的二阶系统的响应，这是升压转换器在CCM下的典型响应。请注意，这种类型的系统本质上不稳定，需要减少误差放大器的带宽。

►利用MATLAB^® System Identification Toolbox，根据用作隔离跟随器的ADuM4195的频率响应，对反馈测量Gm(s)进行建模（图8）。经确认，主导极点在200 kHz左右，可确保在控制系统的目标带宽（250 kHz可观测双频的10%左右）之上仍能提供快速响应。

图8.ADuM4195的频率响应

►我们选择在控制器的标准数字补偿器中添加一个极点，以减少整体控制系统的带宽，这在这种非最小相位升压式转换器设备中是必要的。因此，我们使用公式1中的数字控制器（常数定义参见ADP1055用户指南）。

为将分析保持在拉普拉斯域内，我们根据数字控制理论创建了Gc(z)的连续时间模型Gc(s)⁹。因此，首先添加一个计算延迟(× z^-1)，而连续时间中的最终表示通过如下方式实现：利用(a) Tustin近似

 和(b) Padé 近似模拟离散 PWM (DPWM) 延迟 (T_sa/2=1/4f_sw)，使得：

►最后，为了设计一个稳定的响应，我们利用MATLAB Control System Designer作为常规连续时间控制环路，研究了开环转换函数Gol(s) = Gp(s) Gm(s) Gc(s)。

由此可以观察到，如果使用与FPT相同的控制常数，RPT下的响应将不稳定。因此，正确设计Gc(s)中常数的最终值对于确保运行可靠至关重要。一旦通过设计实现了稳定的开环转换函数，控制器就会变换回数字域。图9（左）显示所设计的数字滤波器的频率响应Gc(z)，利用图9（右）中ADP1055的GUI可以通过图形化方式轻松配置该滤波器。

我们还配置了上一节中研究的提高效率功能（具有自适应死区时间和有源箝位的PS PWM）。实验发现，为了在RPT的有源到无源转换中实现适当的ZVS，有必要修改PWM序列中的死区时间。具体来说，我们修改了次级开关的导通时间点，使其发生在每次有源到无源转换间隔之前，以允许电流反向⁹。

测试表明适应RPT的修改工作是成功的，从12 V次级输入获得了48 V初级输出。对于负载和输入电压变化，输出电压调节都很出色，相对标准差(RSTDEV)分别为0.1%和0.02%，如图10a所示。图10b和图10c分别显示了转换效率和对50%负载变化的阶跃响应。两种情况下，RPT模式下的效率水平都与FPT模式相似，在中等功率范围内的峰值效率为94%。阶跃响应参数（过冲和建立时间）在RPT模式下为(1%; 1.5 ms)，而在FPT模式下为(2%; 800 μs)。我们观察到，较低的过冲，稍慢的建立时间，构成稳定的瞬态响应。这些结果证明，调整数字控制器以支持双向功率传输的设计过程是有效和成功的。

结论

为在能源市场中实现安全可靠的应用，采用功率转换专用数字控制器是一种不错的备选方案。这是因为，与微控制器相比，数字控制器有助于简化功能安全认证，从而缩短系统级设计时间，更快地获取收益。这些器件通常是针对单向功率传输构建的，本文探讨了如何进行修改以支持双向操作。通过理论模型、仿真和实验研究展示了隔离式双向DC-DC转换器在基于电池的ESS中的应用。结果验证了该应用的可行性，两个方向的能量传输实现了相似的性能。

图9.ADP1055上配置的数字滤波器响应

图10.RPT模式下得到的(a)输出电压调节、(b)效率和(c) 50%负载阶跃响应

参考资料

1. Venkata Anand Prabhala、Bhanu Prashant Baddipadiga、Poria Fajri和Mehdi Ferdowsi。“直流配电系统架构及优势概述。”Energies，第11卷第9期，2018年9月。

2. Gerard Reid和Javier Julve。 “Second Life-Batterien als flexible Speicher für

Erneuerbare Energien。”Bundesverband Erneuerbare Energie e.V. (BEE)，2016年4月。

3. Hrishikesh Nene和Toshiyuki Zaitsu。“采用独特PWM控制的双向PSFB DC-DC转换器。”IEEE应用电源电子会议暨展览会(APEC)，2017年。

4. Tom Meany。“功能安全的理想电源监视器。”EngineerZone，2020年6月。

5. Yu Du、Srdjan Lukic、Boris Jacobson和Alex Huang。“适用于PHEV/EV直流充电基础设施的高功率隔离式双向DC-DC转换器综述。”IEEE能量转换大会暨展览会，2011年。

6. Subodh Madiwale。“数字控制实现高可靠性DC-DC功率转换及有源缓冲。”ADI公司，2016年9月。

7. Robert W. Erickson和Dragan Maksimović。电力电子基础，第二版，Spring，2001年1月。

8. Simone Buso和Paolo Mattavelli。电力电子数字控制，第二版，Morgan & Claypool Publishers，2015年5月。

9. Guipeng Chen、Yan Deng、Hao Peng、Xiangning He和Yousheng Wang。“具有宽范围ZVS和较低尖峰电压的全桥/推挽式双向DC-DC转换器的优化调制方法。”ECON 2014—2014年IEEE工业电子学会第40届学术年会。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

关于作者

Juan Carlos Rodríguez博士于2009年获得厄瓜多尔军事理工学院（厄瓜多尔基多）电气工程学士学位，并于2011年和2017年分别获得RMIT大学（澳大利亚墨尔本）硕士学位和博士学位。从利默里克大学（爱尔兰）获得博士后职位后，他于2019年加入ADI公司，从事隔离式电源应用和可再生能源工作。他的工作领域包括工业自动化、智能电网和物联网应用的能量收集以及可持续电力的电源电子转换。

—— 2023英特尔互联网数据中心峰会顺利举行

近日，以“云深处 AI加速”为主题的第十六届英特尔互联网数据中心峰会在武汉成功召开。逾300位云服务商、互联网客户、行业客户、OEM/ODM及渠道合作伙伴齐聚一堂，就数据洪流时代下，云计算与互联网行业的发展趋势、大数据及人工智能等领域众多创新技术与实践进行了深入探讨。会上，英特尔分享了其如何通过丰富全面的软、硬件产品组合加速云服务与AI创新，以及助力企业深度变革，驱动行业共同发展的决心与信心。与会生态伙伴亦基于诸多成功实践案例进行精彩分享。

英特尔执行副总裁兼首席商务官Christoph Schell对远道而来出席本次峰会的客户与行业伙伴们表示了热烈的欢迎与感谢，并承诺将一如既往地重视并支持中国市场。英特尔市场营销集团副总裁兼中国区总经理王稚聪表示：“过去十年间，云计算技术的兴起带动了各行各业数字化发展，眼下，大语言模型和生成式AI技术正在成为数字化技术创新的主力军。秉承‘植根中国，服务中国’的理念，英特尔致力于以领先的产品技术为基石，以市场需求为导向，广泛携手产业上下游，打造满足本地市场所需的多元化、绿色化解决方案，为产业高质量发展提供源动力。”

英特尔市场营销集团副总裁兼中国区总经理王稚聪发表致辞

会上，英特尔公司市场营销集团副总裁兼中国区云与行业解决方案部总经理梁雅莉指出：“随着数字化转型步入‘深水区’，云计算的应用场景正在不断拓展，AI技术加速渗透，无论在行业数字化升级、中国企业出海，亦或生成式AI领域，其挑战之下蕴含着无限可能。过往十余年，我们很荣幸能与诸多互联网及IT领域的优秀企业并肩走过，见证一代又一代的技术浪潮，今后，我们也期待与大家继续携手共进，紧抓产业机遇，共同促进云计算与AI行业的创新发展和应用落地。”

英特尔公司市场营销集团副总裁兼中国区云与行业解决方案部总经理梁雅莉

数字经济时代，如何加速数字化技术和实体经济的融合与高质量发展，成为摆在企业面前的难题。基于此，英特尔坚持以覆盖云网端全面的硬件产品组合、成熟的软件布局和开放的生态系统驱动千行百业技术创新，助力产业的智能化转型升级。以高端制造业为例，英特尔不仅基于第四代英特尔至强平台，深度优化多项软件集群性能以助力国产新能源汽车进入规模化、全球化的高质量发展新阶段，同时亦联合光伏发电制造、锂电池等行业伙伴创新性地打造并部署多项个性化AI解决方案，实现了在不同业务场景下数字工厂的智能升级，打造了全新“中国制造”供应链的优势。与此同时，中国本地企业不仅向内驱动行业发展，亦积极向外探索，旨在开辟全球新蓝海。对于中国互联网企业在海外游戏和短视频等市场的拓展，英特尔提供了大量在云基础设施设计、选择和迁移上的支持，旨在为企业出海提供技术基石。

伴随着生成式AI的盛行，互联网用户迎来了AI原生时代，大模型需求急速增长。面对眼下云市场所面临的数据训练、算法创新、算力资源和隐私安全等实际需求，英特尔携手百度智能云等行业伙伴打造了一系列AI原生基础设施，旨在为千行百业提供高效、便捷的大模型服务。此外，智谱华章与长城超云于本次峰会上联合推出以Gaudi2加速器为核心的AI训推一体机，为多场景下的大模型训练及推理业务提供了算力与算法的双重保障，以及灵活可靠的软件管理平台。对于已将生成式AI应用至产品和服务的企业，英特尔亦与其保持紧密合作，助力企业不断推陈出新，以领先的产品技术加速其创新落地。得益于内置第四代英特尔^®至强^®可扩展处理器的英特尔^®高级矩阵扩展指令AMX，以及高性能深度学习插件Intel^® Extension for TensorFlow / Intel^® Extension for Pytorch的加速，腾讯AI Lab及其旗下的王者荣耀决策AI模型训练和文生图AI推理均获大幅性能提升。

英特尔数据中心与人工智能集团副总裁兼中国区总经理陈葆立

英特尔数据中心与人工智能集团副总裁兼中国区总经理陈葆立出席本次峰会，详细介绍了英特尔长期以来的产品战略，即始终坚持以数据为中心的全栈式产品组合，为云计算与AI领域的加速发展提供重要的基础支撑。会上，来自阿里云、天翼云、字节跳动和美团的客户代表亦分享了其基于第四代至强处理器产品、至强CPU Max系列产品与英特尔技术在机密计算保障、高性能算力提升、数据中心内存扩展等方面的多样化探索实践和应用落地，而英特尔多元化的软件栈加持进一步加速了硬件性能释放，助力用户更为高效、轻松地部署英特尔解决方案。其中，天翼云分享了其基于至强CPU Max系列芯片和英特尔^® oneAPI套件，成功在天翼云云骁超算平台大幅提升工程、气象、材料等领域HPC应用软件计算速度的实践成果。值得一提的是，基于创新平台架构的英特尔下一代数据中心产品路线图正在按计划如期推进，并将陆续推出多款CPU、GPU、专用AI和FPGA新品以满足云计算和AI领域不断增长的对于算力、数据传输和能效的需求，全方位推动产业链的共同创新与成长。

秉承持续深耕本地市场，携手日益庞大的生态系统伙伴，深入探寻行业前行趋势的初心，英特尔自2007年举办第一届互联网数据中心峰会，至今已经走过了16年，亦见证了中国包括云计算等行业在内的飞速成长、蓬勃发展的进程。未来，英特尔将一如既往地携手广大生态伙伴开展合作，积极探索前沿技术，不断推动行业创新落地，为云计算、AI等发展注入动力，共同构筑智能未来。

关于英特尔

英特尔（NASDAQ: INTC）作为行业引领者，创造改变世界的技术，推动全球进步并让生活丰富多彩。在摩尔定律的启迪下，我们不断致力于推进半导体设计与制造，帮助我们的客户应对最重大的挑战。通过将智能融入云、网络、边缘和各种计算设备，我们释放数据潜能，助力商业和社会变得更美好。如需了解英特尔创新的更多信息，请访问英特尔中国新闻中心intel.cn/content/www/cn/zh/newsroom以及官方网站intel.cn。

测试数据在实验研发和生产中都是非常重要的判断依据，泰克万用表也配备了相应的功能来消除误差，提高测试的准确性。

积分去工频噪声功能NPLC

当测试信号较小时，工频噪声的影响是不可忽略的。我们可以通过NPLC选项来消除这项误差，设置的NPLC数值越大表示需要的测试时间会越长，得到的精度也越高。

自动校零功能Auto-Zero

测试者使用手持式万用表在测量前可以将红黑表笔短接归零以提高测量准确度。泰克万用表为工程师简化这一操作，直接在仪器内设置“Auto-Zero”选项，打开后，仪表会自动在每次测量前进行归零，来提高测量精度。

滤波功能Filter

滤波功能是测量时常用的消除误差方法之一，泰克万用表滤波功能分为移动滤波模式和重复滤波模式。两种模式的计算方法是不同的，假设平均个数设为10（吉时利仪表的平均个数选择范围是通常1-100个）：

• 移动滤波模式：先计算1-10个数据的平均值，然后是2-11个数据的平均值，接着3-12个数据的平均值......

• 重复滤波模式：先计算1-10个数据的平均值，然后是11-20个数据的平均值，接着21-30个数据的平均值......

根据两种计算的方式可以得知，采用重复滤波模式，从第二个读数开始万用表相较而言会进行更多数据的测量，因此能够更好地保证测量的准确度。

仪器推荐

DMM6500和DMM7510拥有计量级仪器才具备的直流精度， 具有A-D转换器，提供100mV、10Ω和10μA的量程以便灵敏地测试低频信号。DMM6500和DMM7510对于诸如低功耗测试、电池开路电压测试、纳米发电机测试等精度要求严苛的应用，均是不错的选择！

戳这里https://www.tek.com.cn/products/keithley/digital-multimeter/dmm6500，了解更多泰克吉时利DMM6500触摸屏数字万用表。

关于泰克科技

泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市，致力提供创新、精确、操作简便的测试、测量和监测解决方案，解决各种问题，释放洞察力，推动创新能力。70多年来，泰克一直走在数字时代前沿。欢迎加入我们的创新之旅，敬请登录：tek.com.cn

作者：Michael Jackson

简介/概述

KWIK（技术诀窍与综合知识）电路应用笔记提供应对特定设计挑战的分步指南。对于给定的一组应用电路要求，本文说明了如何利用通用公式应对这些要求，并使它们轻松扩展到其他类似的应用规格。该传感器模型支持对电阻温度检测器(RTD)的电气和物理特性进行SPICE仿真。SPICE模型使用了描述RTD（其将温度转化为电阻）物理行为特性的参数。它还提供了一个典型的激励和信号调理电路，利用该电路可演示RTD模型的行为。

RTD概述

RTD是阻性元件，其电阻随温度变化而变化。RTD的行为已为人所熟知，可用于进行精密温度测量，精度可达0.1°C以下。RTD通常由一段缠绕在陶瓷或玻璃芯周围的导线构成，但也可以由镀在衬底上的厚膜电阻构成。使用的电阻丝通常是铂，但也可以是镍或铜。PT100是一种常见的RTD，由铂制成，在0°C时电阻为100 Ω。另外还有在0°C时电阻为200、500、1000和2000 Ω的RTD元件。铂RTD电阻与温度的关系由Callendar-Van Dusen (CVD)方程来描述。方程1描述了PT100 RTD在0°C以下的RTD电阻，方程2描述了其在0°C以上的RTD电阻。

对于T < 0：

对于T > 0：

Callendar-Van Dusen方程中的系数由IEC-60751标准定义。R0是RTD在0°C时的电阻。对于PT100 RTD，R0为100 Ω。对于IEC 60751标准PT100 RTD，系数为：

从-200°C到850°C，PT100 RTD的电阻变化如图1所示。

图1.从–200°C到850°C的PT100 RTD电阻

设计描述

此RTD模型（图2）使用LTSPICE进行仿真，但也与PSPICE兼容。利用该模型，用户可以模拟参考激励电流的传感器负载，并将信号调理电路连接到RTD。这样就可以对所有共模、差分和源阻抗效应进行仿真。该模型假设RTD电阻随温度而变化。仅对标称传感器规格进行建模。T1是模型使用的参数，表示描述RTD行为的方程中的温度。这与SPICE中使用的表示全局温度的变量temp不同。这种方法使模型能够仅演示RTD的行为，而不会影响电路中其他元器件的性能。

设计技巧/注意事项

1.使用一个电流源激励传感器模型，电流源的作用是让RTD电阻可以作为电压来测量。

2.将RTD传感器输出连接到用于共模、差分、满量程和精度仿真的任意高输入阻抗信号调理电路。

3.将SPICE参数步进(.step param)与直流分析(.op)结合使用，从作用于传感器模型的最小温度扫描到最大温度。

设计步骤

1.运行SPICE仿真（使用扫描参数），确认RTD输出电压与给定温度的预期输出一致。请注意，Vrtd = (Vrtd+) – (Vrtd-)

2.将传感器模型连接到激励电流和信号调理电路以模拟完整应用。

设计仿真

仿真使用1mA激励电流进行-200°C至850°C的RTD温度扫描。表1显示了RTD输出电压的仿真值与计算值示例（使用Callendar-Van Dusen方程）。

表1.仿真结果与理想结果

图2.显示RTD模型和仿真参数的原理图

图3.使用PT100 SPICE RTD传感器模型和1mA激励电流的仿真电压与温度的关系图

传感器模型的典型应用电路如图4所示。Vc由对4.096V基准电压进行分压而生成，所选的Vc值应在AD8538运算放大器的直流共模范围内，当将其作用于高精度(0.1%) 3.01kΩ电阻时，产生大约1mA的RTD激励电流。AD8538设置的高环路增益迫使通过RTD模型的激励电流为：

两个499Ω电阻为AD8538的输入和输出引脚提供ESD保护，1nF电容用于EMI和RFI滤波，2.2nF电容用于确保环路稳定性。RTD输出电压由AD8422仪表放大器进行调理，在该仪表放大器的RG端子之间放置一个2.21kΩ电阻，以将其增益设置为9.959。选择该增益值是为了将AD8422的输出电压保持在同样使用4.096V基准电压的ADC的输入范围内。AD8422输入端的电阻和电容的作用是在实际应用中对注入线缆的噪声进行差分和共模滤波。用于增益和滤波的电阻和电容值根据AD8422的数据手册进行选择。图5显示了应用电路的仿真输出电压与温度的关系图。虽然此应用电路使用2线RTD模型，但它可以轻松调整为3线或4线RTD模型，如图6所示。V1rtd和V4rtd是0V电压源，原理图将其包括在内，这样节点标签不会冲突（SPICE仿真工具不支持两个不同节点名称指示相同节点）。0V电压源对仿真结果没有影响（表现为短路），而且有助于使RTD模型更好地模拟RTD传感器在实际应用中的物理接线方式。同样，这些模型可针对PT200、PT500、PT1000和PT2000 RTD进行调整，只需将原理图中的R0值设置为所需RTD的相应值（0°C时的电阻）即可。表2显示，在整个温度范围内，RTD电压都位于AD8422线性运行所需的输入范围内，并且应用电路的总输出电压位于使用4.096V基准电压的ADC的输入范围内。请注意，LT1461可用于提供此基准电压，但出于简化原理图的原因，图中未将其包括在内。

表2.仿真结果与理想结果

图4.显示激励和信号调理电路的PT100 2线RTD应用电路

图5. 2线RTD应用电路的仿真输出电压与温度的关系图

图6.调整2线RTD模型以适应3线和4线RTD应用

设计器件

表3.串联基准电压源

表4.仪表放大器

表5.运算放大器（根据需要用于基准电压源和DAC输出缓冲器）

参考资料

“传感器信号调理实用设计技术”

由Walt Kester编辑，ADI公司，1999年，ISBN-0-916550-20-6。

Education-library/practical-design-techniques-sensor- signal-conditioning.html

仪表放大器钻石图工具

钻石图工具是一个网络应用程序，可生成特定配置的输出电压范围与输入共模电压关系图，也被称为钻石图，适用于ADI仪表放大器

LTSpice^®是一款高性能SPICE III仿真软件、原理图采集工具和波形查看器，集成增强功能和模型，简化了开关稳压器、线性稳压器和信号链电路的仿真。

致谢

ADI公司主要顾问：

Tim Green，精密技术与平台部线性产品小组高级应用工程师

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问

www.analog.com/cn。