论文部分内容阅读
◆ 德州仪器/资深应用工程师 Miro Oljaca
市场开发经理 Skip Osgood 合撰
简介
随着现今工业市场用电量逐渐增加，电源系统的监控也因此需要不断改良。对于节能及整体电源运用而言，适当管理及配送电源至关重要。对于进行决策以及确实防护输电网络与终端用户而言，正确且实时的测量实为个中关键。
图1显示必须测量三相电流的典型高压电源传输系统。产生的极高电压必须予以隔离及减弱，才能符合低电压测量及相对应控制系统的输入功能。电源变压器是第一层高电压隔离，例如，发电厂传输的 220kV 会转换成低电压的 220V。由于这个电压对于目前的模拟数字转换器 (ADC) 而言还是过高，因此需要进一步三相式的隔离。接着是将 220V 转换为 ±10V 信号，以提供必要的控制及防护电路系统功能。对于负载电流测量，也需要相同的隔离、测量、控制及防护；这些动作可搭配高电压电源变压器使用，以进一步降低电压。
虽然输入频率相对较低，但是各测量的时间仍极为重要。此一配置需要在多个信道同时进行测量。本文后续将说明多种可在这些测量中正确启用信号调节及数据转换的方法。
使用高电压组件进行测量
电压及电流测量的其中一项常用解决方案需要使用高电压组件。经过滤波后，来自于电压或电流变压器会由运算放大器 (运算放大器) 缓冲处理。这需要变压器与运算放大器之间的电阻电容电路 (RC) 滤波器，才能限制电压突增及输入电流。图 2 显示采用此一配置的一般应用电路。
变压器产生的电压突增是以 R1 及 C1 进行过滤。输入电阻 R1 也可协助限制瞬时期间的输入电流，并保护运算放大器的高阻抗、非反向输入接脚。R2 及 C2 的额外过滤可针对运算放大器提供瞬时隔离，以避免通常与电流连续近似缓存器 (SAR) 架构 ADC 有关的电荷注入。藉由此一方法，可将变压器的输出电压 (一般为 20Vpp 或 ±10Vpp) 缓冲处理，并传输到 ADC 输入。
然而，这个简易的电路有几项潜在问题。首先且最重要的一点是，这个电路需要3个电源供应才能正常运作：运算放大器及 ADC 的模拟部分各需要 ±12V，处理器的接口则需要 5V。这3个电源供应必须专用于电路系统的模拟测量部分，而且不可引用自数字处理或继电器所用任何噪声过多的辅助供电。同时，这些需求使得配置更为复杂，需要使用昂贵的多层印刷电路板 (PCB) 设计。第二个问题是组件供应方面的限制，目前只有几家制造商提供可接受 ±10V 输入电压的 ADC。
使用低电压组件进行测量
另一个解决方案是使用低电压组件。在这个特殊个案中，我们是采用符合成本效益的单一电源供应 5V 组件进行模拟测量。图3显示使用这些低成本的低电压组件进行的建议解决方案。来自于隔离变压器的 ±10V 信号是直接连接至差动放大器 (例如德州仪器的 INA159) 的输入，100kΩ 电阻的高输入阻抗及 ±30V 的最大输入电压使得这个连接方式得以实现。其中的内部电已阻调整为最佳线性及共模抑制比 (CMRR)。
输出信号会经过位准移位而调整为介于 0.5V ～ 4.5V 之间，然后直接传输至 ADC (例如德州仪器的 ADS8365)。这个全新的低功耗 16 位 6 信道同时取样 SAR 转换器含有 6 个 ADC 的取样保持电路，适用于需要测量三相电压及三相电流的电源测量应用。
使用 ΔΣ 转换器进行测量
第三个解决方案是使用 ΔΣ ADC 转换输入信号。对于此类型的应用，使用 ΔΣ ADC 转换器的其中一项主要优点是使用数字滤波器。数字滤波器不仅过滤转换器的量化噪声，也引导此类型的应用中出现的严重噪声，使严重噪声不干扰所需的信号频带。在此类型的应用中，也可以测量中性线的电压及电流。如 TI 的 ADS1204 之类的 ΔΣ 转换器具有 4 个 16 位效能的独立 ΔΣ 调变器。使用 2 个 ADS1204 转换器，即可同时从 8 个输入信道取得测量数据。
图 4 显示 4 信道解决方案。来自于变压器的输入信号经过 INA159 减弱及位准移位。ADS1204 将此信号数字化，并提供位串流以进行输入。可程序数字滤波器 (例如德州仪器的 AMC1210) 可处理此位串流，并提供 DSP 或微控制器可使用的 16 位二进制输出，以提供测量及控制算法功能。在此类型的特殊应用中，针对实时工业测量，德州仪器建议使用 TMS320F280x。
AMC1210所具有的弹性极适合此类型的应用。其中的主要测量路径包含4个具有可程序超取样比例的三阶 SINC 滤波器，可进一步进行输入信号滤波及平滑化。这也能够根据特定的测量应用需求，调整速度与分辨率的比例。除了滤波器之外，低延迟窗口比较器也适用于快速过压及/或过流侦测。
结论
对于系统电源监视设备设计中出现的极高电压，以上是以现成组件设计简易、高效能、低成本电压及电流测量解决方案的一些范例。此外有两种不同的方法可用：具有测得信号额外模拟滤波功能的 SAR 转换器，以及具有内建数字滤波器的 ΔΣ 转换器。这两种解决方案都提供高效能的测量，然而，决定采取何种解决方案需视特定应用需求而定。
长久以来，变压器一直提供发电厂电压及/或电流测量之间的隔离功能，业已成为最低成本的长期可靠解决方案。近来有其他隔离技术可供运用，因此能够使隔离阻障的发电厂端进行信号调节及 ADC 转换，以提升测量准确性。这项全新的隔离技术使用电容隔离阻障 (例如 TI ISO721)，提供高达甚至超出 6kV 的隔离效果。再如图 4 所示，可在 ADS120x 调变器及 AMC1210 数字滤波器之间实作隔离阻障，因此不需要使用图 1 中出现的第二个隔离变压器。
关于作者
Miro Oljaca 为德州仪器资深应用工程师，目前负责工业应用相关的高精密度线性产品。Oljaca 具有20多年马达控制及电源转换等领域的设计经验，本身拥有南斯拉夫贝尔格莱德 University of Belgrade 电子工程科学电机理学士及电机理硕士等学位，并拥有 19 项以上马达控制领域的国际专利，先前已发表 30 多篇文章。
Skip Osgood 为德州仪器精密数据转换及混合信号产品营销开发经理，拥有 Northeastern University 电机理学士学位，并具有 30 多年数据转换器产品的应用及营销经验。Osgood 已发表许多关于模拟产品的应用手册及文章，并且曾多次出席全球产品及应用研讨会。
市场开发经理 Skip Osgood 合撰
简介
随着现今工业市场用电量逐渐增加，电源系统的监控也因此需要不断改良。对于节能及整体电源运用而言，适当管理及配送电源至关重要。对于进行决策以及确实防护输电网络与终端用户而言，正确且实时的测量实为个中关键。
图1显示必须测量三相电流的典型高压电源传输系统。产生的极高电压必须予以隔离及减弱，才能符合低电压测量及相对应控制系统的输入功能。电源变压器是第一层高电压隔离，例如，发电厂传输的 220kV 会转换成低电压的 220V。由于这个电压对于目前的模拟数字转换器 (ADC) 而言还是过高，因此需要进一步三相式的隔离。接着是将 220V 转换为 ±10V 信号，以提供必要的控制及防护电路系统功能。对于负载电流测量，也需要相同的隔离、测量、控制及防护；这些动作可搭配高电压电源变压器使用，以进一步降低电压。
虽然输入频率相对较低，但是各测量的时间仍极为重要。此一配置需要在多个信道同时进行测量。本文后续将说明多种可在这些测量中正确启用信号调节及数据转换的方法。
使用高电压组件进行测量
电压及电流测量的其中一项常用解决方案需要使用高电压组件。经过滤波后，来自于电压或电流变压器会由运算放大器 (运算放大器) 缓冲处理。这需要变压器与运算放大器之间的电阻电容电路 (RC) 滤波器，才能限制电压突增及输入电流。图 2 显示采用此一配置的一般应用电路。
变压器产生的电压突增是以 R1 及 C1 进行过滤。输入电阻 R1 也可协助限制瞬时期间的输入电流，并保护运算放大器的高阻抗、非反向输入接脚。R2 及 C2 的额外过滤可针对运算放大器提供瞬时隔离，以避免通常与电流连续近似缓存器 (SAR) 架构 ADC 有关的电荷注入。藉由此一方法，可将变压器的输出电压 (一般为 20Vpp 或 ±10Vpp) 缓冲处理，并传输到 ADC 输入。
然而，这个简易的电路有几项潜在问题。首先且最重要的一点是，这个电路需要3个电源供应才能正常运作：运算放大器及 ADC 的模拟部分各需要 ±12V，处理器的接口则需要 5V。这3个电源供应必须专用于电路系统的模拟测量部分，而且不可引用自数字处理或继电器所用任何噪声过多的辅助供电。同时，这些需求使得配置更为复杂，需要使用昂贵的多层印刷电路板 (PCB) 设计。第二个问题是组件供应方面的限制，目前只有几家制造商提供可接受 ±10V 输入电压的 ADC。
使用低电压组件进行测量
另一个解决方案是使用低电压组件。在这个特殊个案中，我们是采用符合成本效益的单一电源供应 5V 组件进行模拟测量。图3显示使用这些低成本的低电压组件进行的建议解决方案。来自于隔离变压器的 ±10V 信号是直接连接至差动放大器 (例如德州仪器的 INA159) 的输入，100kΩ 电阻的高输入阻抗及 ±30V 的最大输入电压使得这个连接方式得以实现。其中的内部电已阻调整为最佳线性及共模抑制比 (CMRR)。
输出信号会经过位准移位而调整为介于 0.5V ～ 4.5V 之间，然后直接传输至 ADC (例如德州仪器的 ADS8365)。这个全新的低功耗 16 位 6 信道同时取样 SAR 转换器含有 6 个 ADC 的取样保持电路，适用于需要测量三相电压及三相电流的电源测量应用。
使用 ΔΣ 转换器进行测量
第三个解决方案是使用 ΔΣ ADC 转换输入信号。对于此类型的应用，使用 ΔΣ ADC 转换器的其中一项主要优点是使用数字滤波器。数字滤波器不仅过滤转换器的量化噪声，也引导此类型的应用中出现的严重噪声，使严重噪声不干扰所需的信号频带。在此类型的应用中，也可以测量中性线的电压及电流。如 TI 的 ADS1204 之类的 ΔΣ 转换器具有 4 个 16 位效能的独立 ΔΣ 调变器。使用 2 个 ADS1204 转换器，即可同时从 8 个输入信道取得测量数据。
图 4 显示 4 信道解决方案。来自于变压器的输入信号经过 INA159 减弱及位准移位。ADS1204 将此信号数字化，并提供位串流以进行输入。可程序数字滤波器 (例如德州仪器的 AMC1210) 可处理此位串流，并提供 DSP 或微控制器可使用的 16 位二进制输出，以提供测量及控制算法功能。在此类型的特殊应用中，针对实时工业测量，德州仪器建议使用 TMS320F280x。
AMC1210所具有的弹性极适合此类型的应用。其中的主要测量路径包含4个具有可程序超取样比例的三阶 SINC 滤波器，可进一步进行输入信号滤波及平滑化。这也能够根据特定的测量应用需求，调整速度与分辨率的比例。除了滤波器之外，低延迟窗口比较器也适用于快速过压及/或过流侦测。
结论
对于系统电源监视设备设计中出现的极高电压，以上是以现成组件设计简易、高效能、低成本电压及电流测量解决方案的一些范例。此外有两种不同的方法可用：具有测得信号额外模拟滤波功能的 SAR 转换器，以及具有内建数字滤波器的 ΔΣ 转换器。这两种解决方案都提供高效能的测量，然而，决定采取何种解决方案需视特定应用需求而定。
长久以来，变压器一直提供发电厂电压及/或电流测量之间的隔离功能，业已成为最低成本的长期可靠解决方案。近来有其他隔离技术可供运用，因此能够使隔离阻障的发电厂端进行信号调节及 ADC 转换，以提升测量准确性。这项全新的隔离技术使用电容隔离阻障 (例如 TI ISO721)，提供高达甚至超出 6kV 的隔离效果。再如图 4 所示，可在 ADS120x 调变器及 AMC1210 数字滤波器之间实作隔离阻障，因此不需要使用图 1 中出现的第二个隔离变压器。
关于作者
Miro Oljaca 为德州仪器资深应用工程师，目前负责工业应用相关的高精密度线性产品。Oljaca 具有20多年马达控制及电源转换等领域的设计经验，本身拥有南斯拉夫贝尔格莱德 University of Belgrade 电子工程科学电机理学士及电机理硕士等学位，并拥有 19 项以上马达控制领域的国际专利，先前已发表 30 多篇文章。
Skip Osgood 为德州仪器精密数据转换及混合信号产品营销开发经理，拥有 Northeastern University 电机理学士学位，并具有 30 多年数据转换器产品的应用及营销经验。Osgood 已发表许多关于模拟产品的应用手册及文章，并且曾多次出席全球产品及应用研讨会。