提高電力線監控應用的系統級性能和可靠性

作者:ADI 應用工程師 Lluis Beltran Gil


背景知識

對於許多應用而言,監控電力線意味著使用電流互感器和電阻分壓網路,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,可以直接連接感測器,並且它提供了所需的全部內建輸入模組,從而簡化了資料獲取系統設計。

AD7606B in a typical power line monitoring application

圖1. 典型的電力線監控應用中的AD7606B

AD7606B在晶片內整合8個獨立的訊號鏈,即使採用5 V單電源供電(數位介面電壓Vdrive不計),仍可接受±10 V或±5 V的真正雙極性類比輸入訊號。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類比輸入箝位保護電路、具備5MΩ輸入阻抗的電阻可程式設計增益放大器、一階抗混疊濾波器和16位SARADC組成。此外,還可包含一個過取樣速率高達256的數位均值濾波器,以及一個低溫漂2.5 V基準電壓源,用於幫助構建完整的電力線資料獲取系統。

除了提供完整的類比訊號鏈之外,AD7606B還提供許多校準和診斷功能,以提升系統級性能和可靠性。

直接感測器介面

與AD7606不同的是,AD7606B的輸入阻抗已提高到5 MΩ,使其可以直接與多種感測器介面,從而獲得兩個好處:

  • 降低外部串聯電阻(例如,濾波或電阻分壓網路)導致的增益誤差。
  • 當感測器斷開時,所看到的偏移量會減小,可以輕鬆實現感測器斷開檢測功能。

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 and RIN (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,那麼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。

Gain error introduced by a series resistor

圖2. 串聯電阻導致的增益誤差

但是,透過在軟體模式下使用AD7606B,系統增益誤差可以基於每個通道自動進行晶片內補償,因此完全無需再在控制器一側實施任何增益校準計算。

感測器斷開檢測


傳統上,將下拉電阻 (RPD)與感測器(圖1中所示的電流互感器)並聯,使用者可透過監測多個樣本(N)的ADC輸出代碼是否重複小於20 LSBs來檢測感測器何時斷開。

建議採用比感測器的源阻抗大得多的 RPD,將該並聯電阻可能產生的誤差減至最小。但是,RPD, 越大,在感測器斷開時生成的ADC輸出代碼也越大,這並非我們期望的結果。由於AD7606B的RIN比AD7606大,對於給定的RPD,如果感測器斷開,ADC輸出代碼會降低(如圖3所示),從而降低了誤報的風險。

Offset error when the sensor gets disconnected from the ADC's analog inputs

圖3. 感測器與ADC的模擬輸入斷開連接時的偏置誤差

進入AD7606B的軟體模式時,可以使用開路檢測功能,從而無需後端軟體來檢測感測器斷開情況。編程設定樣本數量N(在圖4的示例中,N = 3)之後,如果類比輸入保持由幾個樣本報告較 小的直流值,演算法會自動運行,並在類比輸入訊號斷開被判定為開路時,置一個標記位元。

Sensor disconnect detection

圖4. 感測器斷開檢測

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。感測器短接至地時,該偏移可以測量為ADC輸出代碼。之後,可以透過編程設定對應的通道偏移暫存器,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針腳用於管理類比數位轉換啟動,以便同時在所有通道上觸發該流程。但是,對於通過電流互感器(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(相對延遲大一點的通道)上的採樣時刻,以便將輸出訊號調整到同相,如圖5所示。

Phase realignment

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。
  • 一種介面檢查,在每個通道上輸出固定的資料,以驗證通信狀態。
  • 如果嘗試對無效暫存器實施寫入或讀取,則會發出SPI無效讀取/寫入警報。
  • 在轉換開始後,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、部分或上電重定,則發出復位檢測警報。
  • 可以對記憶體映射、ROM和每個介面通訊實施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晶片資料獲取系統。其可實現所有的類比前端內建模組,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。AD7606B透過降低元件成本和系統設計的複雜性簡化了電‘力線監控應用設計。