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提高電力線監控應用的系統級性能和可靠性

  2020年09月07日  

背景知識
        對于許多應用,監控電力線意味著使用電流互感器和電阻分壓網絡,以便感測三相及零序的電流和電壓 ,如圖1所示。AD7606B具有高輸入阻抗,可以直接連接傳感器,并且它提供了所需的全部內建輸入模塊,從而簡化了數據采集系統設計。

 
圖1. 典型的電力線監控應用中的AD7606B

        AD7606B在片內集成8個獨立的信號鏈,即使采用5 V單電源供電(數字接口電壓Vdrive不計),仍可接受±10 V或±5 V的真正雙極性模擬輸入信號。因此,無需使用外部驅動運算放大器和外部雙極性電源。
        每個通道都由21V模擬輸入箝位保護電路、具備5MΩ輸入阻抗的電阻可編程增益放大器、一階抗混疊濾波器和16位SARADC組成。此外,還可包含一個過采樣率高達256的數字均值濾波器,以及一個低溫漂2.5 V基準電壓源,用于幫助構建完整的電力線數據采集系統。
        除了提供完整的模擬信號鏈之外,AD7606B還提供許多校準和診斷功能,以改善系統級性能和可靠性。

直接傳感器接口
        與AD7606不同,AD7606B的輸入阻抗已提高到5 MΩ,使其可以直接與多種傳感器接口,從而獲得兩個好處:
        降低外部串聯電阻(例如,濾波或電阻分壓網絡)導致的增益誤差。
        當傳感器斷開時,所看到的偏移量會減小,可以輕松實現傳感器斷開檢測功能。

外部電阻造成的增益誤差
        進行工廠修整時,會嚴格控制PGA的RFB和RINN(一般為5MΩ),確保準確設置AD7606B的增益。但是,如圖1所示,如果在前端放置一個外部電阻,那么實際增益與理想的修整RFB/RIN值之間會存在偏差。
        RFILTER越高,增益誤差越大,這需要從控制器一側補償。但是,RIN越高,相同RFILTER產生的影響就越小。與AD7606具有1 MΩ輸入阻抗不同,AD7606B具有5 MΩ阻抗,這意味著在沒有任何校準的情況下,相同串聯電阻(RFILTER)的增益誤差會降低到約1/5,如圖2所示。
 
圖2. 串聯電阻導致的增益誤差
        但是,通過在軟件模式下使用AD7606B,系統增益誤差可以基于每個通道自動進行片內補償,因此完全無需再在控制器一側實施任何增益校準計算。

傳感器斷開檢測
        傳統上,將下拉電阻(RPD)與傳感器(圖1中所示的電流互感器)并聯,用戶可通過監測多個樣本(N)的ADC輸出代碼是否重復小于20 LSBs,來檢測傳感器何時斷開。
        建議采用比傳感器的源阻抗大得多的RPD,將該并聯電阻可能產生的誤差減至最小。但是,RPD越大,在傳感器斷開時生成的ADC輸出代碼也越大,這并非我們期望的結果。由于AD7606B的RIN比AD7606大,對于給定的RPD,如果傳感器斷開,ADC輸出代碼會降低(如圖3所示),從而降低了誤報的風險。
 
圖3. 傳感器與ADC的模擬輸入斷開連接時的偏置誤差
        進入AD7606B的軟件模式時,可以使用開路檢測功能,從而無需后端軟件來檢測傳感器斷開情況。編程設置樣本數量N(在圖4的示例中,N = 3)之后,如果模擬輸入保持由幾個樣本報告較 小的直流值,算法會自動運行,并在模擬輸入信號斷開被判定為開路時,置一個標記位。
       
圖4. 傳感器斷開檢測

系統級性能
系統失調校準
        使用一對外部電阻時,如圖1所示,它們之間出現任何不匹配都會導致產生偏移。傳感器短接至地時,該偏移可以測量為ADC輸出代碼。然后,可以通過編程設置對應的通道偏移寄存器,在轉換結果中增加或減去–128 LSBs至+127 LSBs偏移,以補償系統偏移。

系統相位校準
        CONVST引腳用于管理模數轉換啟動,以便同時在所有通道上觸發該流程。但是,對于通過電流互感器(CT)測量電流同時通過分壓電阻按比例縮小來測量電壓的應用,存在電流和電壓通道之間相位不匹配的情況。為了補償這種不匹配,AD7606B可以延遲任何通道(相對延遲大一點兒的通道)上的采樣時刻,以便將輸出信號調整到同相,如圖5所示。
       
圖5. 相位調整

系統可靠性
        為了提高系統的可靠性,在片內增加了幾種診斷功能,包括:
        每個通道上的過壓/欠壓比較器。
        一種接口檢查,在每個通道上輸出固定的數據,以驗證通信狀態。
        如果嘗試對無效寄存器實施寫入或讀取,則會發出SPI無效讀取/寫入警報。
        在轉換開始后,如果BUSY線持續的時間比正常時間長,則會發出BUSY STUCK HIGH警報。
        如果檢測到對內部LDO穩壓器的完全、部分或上電復位,則發出復位檢測警報。
        可以對存儲器映射、ROM和每個接口通信實施CRC校驗,以確保正確初始化和/或操作。

總結
        AD7606B為市場帶來了完整的芯片數據采集系統。可實現所有的模擬前端內建模塊。它提供了一套完整的高級診斷功能,以及增益、偏移和相位校準。因此,AD7606B降低了組件成本和系統 設計的復雜性,從而簡化了電力線監控應用設計。

 

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