基于AD7606的高性能電力線監(jiān)測、繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著全球電網(wǎng)持續(xù)的發(fā)展，電力線監(jiān)測、繼電保護(hù)產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設(shè)計(jì)模式。作為全球領(lǐng)先的高性能信號處理解決方案供應(yīng)商，ADI公司推出的系列高性能ADC一直引領(lǐng)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線：第一代電力繼電保護(hù)產(chǎn)品均采用模擬開關(guān)，采用單通道16位ADC（如AD976、AD574）進(jìn)行設(shè)計(jì)；后來出現(xiàn)了使用16位的AD7656和14位的AD7865配合模擬開關(guān)的第二代繼電保護(hù)產(chǎn)品，AD7656和AD7865在當(dāng)前很多電力繼電保護(hù)產(chǎn)品中仍有非常成功的應(yīng)用案例；隨著技術(shù)的更新和產(chǎn)品工藝的改進(jìn)，尤其是其±10V雙極多通道同步輸入等技術(shù)特點(diǎn)，使AD7656成為上一代電力繼電保護(hù)的主流選擇，目前該產(chǎn)品仍在大量的電力監(jiān)測及保護(hù)設(shè)備中發(fā)揮重要作用。

隨著電網(wǎng)智能化管理發(fā)展趨勢，電力線監(jiān)測及保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)面臨越來越多的挑戰(zhàn)，多通道電流與電壓監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要應(yīng)對諸如雙電源、有限的模擬輸入范圍、低模擬輸入阻抗、以及采用昂貴的分立器件所造成的高成本等一系列復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。作為電力二次設(shè)備制造商的關(guān)鍵方案提供商，ADI公司深刻理解全球電力設(shè)備企業(yè)的技術(shù)需求，在AD7656成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，再次成功推出16位8通道同步采樣AD7606系列，幫助客戶更好地應(yīng)對智能電網(wǎng)時(shí)代開發(fā)二次設(shè)備所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖1：ADI公司高性能ADC產(chǎn)品發(fā)展路線圖。
AD7606簡化電力線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
AD7606系列器件采用單5V供電，并支持真正的±10V和±5V雙極性信號輸入，每通道的采樣率能達(dá)到200ksps。單芯片內(nèi)集成多個(gè)通道可支持變電站自動(dòng)化設(shè)備中三相電流、電壓和零線的測量。同步采樣功能允許保留相位信息，同時(shí)可以在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，對雙極性電壓和電流進(jìn)行采樣。

AD7606系列的所有8個(gè)通道都能實(shí)現(xiàn)最高200 kSPS的采樣速率。它內(nèi)置低噪聲、高阻抗輸入和信號調(diào)整放大器，可處理最高22 kHz的輸入頻率。AD7606的信噪比(SNR)高達(dá)90dB，選用片內(nèi)數(shù)字濾波器可以進(jìn)一步改善SNR性能、縮小誤碼、擴(kuò)頻并提高抗混疊抑制。轉(zhuǎn)換過程與數(shù)據(jù)采集利用CONVST信號和內(nèi)部振蕩器進(jìn)行控制。通過兩個(gè)CONVST引腳，可以對所有八路模擬輸入或者兩組模擬輸入通道(四路模擬輸入構(gòu)成一組）同時(shí)進(jìn)行采樣，以顧及變壓器之間的相位差。

圖2：AD7606進(jìn)一步簡化電路設(shè)計(jì)（上下圖分別為采用AD7656和AD7606的電路示意圖）。

AD7606內(nèi)部的信號調(diào)理電路中已經(jīng)包含了低噪聲、高輸入阻抗的信號調(diào)理電路，其等效輸入阻抗完全獨(dú)立于采樣率且固定為1MΩ。同時(shí)，輸入端集成了具有40 dB抗混疊抑制特性的濾波器，更是簡化了前端設(shè)計(jì)，不再需要外部驅(qū)動(dòng)和濾波電路。因此，二次互感器輸出的信號無需再經(jīng)過運(yùn)放來緩沖就可以直接接入AD7606。AD7606內(nèi)部集成了2.5V帶隙電壓基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖電路，設(shè)計(jì)應(yīng)用中可根據(jù)系統(tǒng)要求選用內(nèi)置基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)，在多片ADC的設(shè)計(jì)中，如果需求高絕對精度，則應(yīng)采用高初始精度和低溫度系數(shù)的外部基準(zhǔn)，以消除不同器件內(nèi)置基準(zhǔn)之間的差異而帶來的誤差。推薦選用初始精度0.04%，溫度系數(shù)3ppm/℃的ADR421B。如果需求多片ADC通道之間的數(shù)值匹配，可設(shè)置第一片AD7606工作在內(nèi)置基準(zhǔn)模式，其余AD7606為外部基準(zhǔn)模式，然后通過第一片AD7606的內(nèi)置基準(zhǔn)輸出供給其余AD7606。從而在不加外部基準(zhǔn)的情況下即可保證多個(gè)AD7606通道間數(shù)據(jù)的匹配性。

圖3：AD7606突出的性能優(yōu)勢讓您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單。

而AD7606低至100mW的運(yùn)行功耗和僅25mW的待機(jī)功耗保持了ADI公司在ADC低功耗技術(shù)上的優(yōu)勢，特別是當(dāng)一塊電路板上有若干多通道ADC時(shí)（某些系統(tǒng)需要一塊電路板上有多達(dá)上百個(gè)ADC通道），功耗是一項(xiàng)重要考量因素，這種低功耗的特性是簡化系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素之一。

AD7606系列共包含8通道、6通道和4通道三款同步采樣ADC器件，針對需要多通道系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以分別采用8+4、8+6通道的靈活設(shè)計(jì)組合，在利用到ADI新ADC系列產(chǎn)品的高性能的同時(shí)，確保方案的低成本（四通道和六通道的AD7606-4、AD7606-6分別比雙8通道AD7606成本低19%及34%）。而且，這幾款器件之間管腳兼容，相同的電路設(shè)計(jì)可以適用于多種不同通道數(shù)的系統(tǒng)配置。
電路設(shè)計(jì)建議
大多數(shù)電力線監(jiān)測系統(tǒng)都會采用多個(gè)AD7606器件以實(shí)現(xiàn)多通道同步采樣。為確保器件之間的性能良好匹配，這些器件必須采用對稱布局。AVCC電壓平面沿兩個(gè)器件的右側(cè)布置，VDRIVE電源走線沿兩個(gè)AD7606器件的左側(cè)布置?；鶞?zhǔn)電壓芯片ADR421位于兩個(gè)AD7606器件之間，基準(zhǔn)電壓走線向上布置到U2的引腳42，向下布設(shè)到U1的引腳42。使用實(shí)心接地層。這些對稱布局原則適用于含有兩個(gè)以上AD7606器件的系統(tǒng)。AD7606器件可以沿南北方向放置，基準(zhǔn)電壓位于器件的中間，基準(zhǔn)電壓走線則沿南北方向。