AD7685应用

低功耗、高精度AD7685的原理及在有源光纤电子式互感器产品中的应用探讨作者：赵铁龙世健国际贸易(上海)有限公司南京代表处摘要：本文主要介绍当前新型的有源光纤电子式互感器的原理，以及探讨了ADI公司高性能，低功耗的AD7685产品在有源光纤电子式互感器产品应用中的设计与应用。关键字：AD7685Rogowski线圈光电互感器低功耗ThetheoryofLowPower,HighperformanceAD7685andapplicationinactiveopticalPT/CTExcelpointInternationalTrading(Shanghai)Co.,Ltd–NanjingofficeTielongZhaoAbstract:ThearticleisfocusonthetheoryofnewactiveopticalelectricPT/CT,anddiscussthedesignandapplicationofhighperformance,lowpowerAD7685fromADIincurrentactiveopticalelectronicPT/CT.KeyWords:AD7685,RogowskiCoil,1引言目前，继电保护使用的高压电力互感器大部分还是传统的电磁感应式或电容分压式，随着传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，传统的互感器因其机理的限制表现出许多难以克服的问题。由于光纤技术和传感器技术的发展，目前光纤电子式互感器（以下简称光电互感器）的研制开发已日趋成熟和完善，相对传统的电磁式电流互感器，它具有无磁饱和现象，无铁磁共振和磁滞效应，较高的测量精度和带宽，光纤隔离性能好等优点。目前，光电互感器主要分为两种，一种为有源光电互感器，另外一种为无源光电互感器。有源光电互感器利用电磁感应原理感应被测信号，利用光纤传输信号，在传感头部分具有需用电源的电子电路；无源光电互感器利用Faraday磁光效应（电流互感器）和Pockels电光效应（电压互感器）感应被测信号，利用光纤传输信号，在传感头部分不需电源。有源光电互感器采用空芯线圈或低功耗铁芯线圈感应被测电流，置于高压侧的远端模块将线圈的输出信号转换为数字光信号经光纤送至控制室。有源光电互感器同无源光电互感器（光学电流电压互感器）一样能有效克服传统电磁式互感器的缺点，有源光电互感器的温度稳定性较易解决，便于批量化生产，是目前研制及应用的主流。如下图1是新式的有源光电互感器的系统原理框图。从光电互感器设计原理上，整个系统需要多个数据采集模块，每个模块一般根据系统配置需要3路信号，主要为：Rogowski线圈提供的测量电流信号，LPCT（低功率CT，也有方案应用上使用Rogowski线圈）提供的保护电流信号，电阻分压器（也有方案应用上使用电容分压器）提供的电压信号。这些新技术的使用，使得电流测量的准确度可以达到0.1级，电压测量的准确度可以达到0.2级，而传统式电流电压测量精度受电压电流互感器限制，一般仅为0.5级。为了避免相位上的差异，系统需要配置3路或是4路高性能，低功耗的ADC进行同步采集前端信号，然后通过处理器发送到MU（合并单元）进行信号处理，然后经过处理后的数据提供给其他保护和测量装置使用，这种应用被作为当前数字化变电站IEC61850的要求和趋势。有源光电互感器产品在设计中，由于在供电方式上采用光纤供电方式，所以对于功耗的要求也是非常的严格。亚德诺半导体公司(原美国模拟器件公司AnalogDevices,Inc.,简称ADI)的AD7685具有非常低的功耗和高精度性能的特点，已经被成功应用在有源光电互感器的信号采集模块处。AMPAD7685低功耗MCU电光转换AMPAD7685AMPAD7685ADR121MU合并单元Rogowiski测量装置光电转换LPCT电阻分压器保护装置光纤传送数据采集模块数据处理模块Rogowiski采样电路LPCT光纤传送光电池电源光电转换电光转换电源电源/同步图1有源光电互感器的系统原理图2AD7685的原理和设计AD7685是采用MSOP封装的超高精度16bitADC，它在20khz条件下具有93.5dBSNR的优异性能，具有250ksps采样速率，保证16bit无失码，并且其INL误差典型值为0.6LSB（最大值为2LSB）。AD7685不但具有上述的突出的性能，而且还具有工作电源电压低至2.3V的低功耗。它在2.5V电源供电和100ksps采样速率时，其功耗仅为1.35mW。低功耗并不意味着低性能，因为AD7685在其工作电压降低到2.3V仍能达到16bit无失码。AD7685的INL优于最接近的同类产品的3倍，同时信噪比提高了6dB。其他的特点包括：菊花链连接能力，通过灵活的4线串行接口指示系统忙状态，1.8V到5V逻辑接口以及仅为1nA的待机电流。图2为AD7685产品工作电流和采样率的关系图。基于上面优越的性能指标，AD7685满足了当前光电互感器的信号采集要求。图2AD7685工作电流和采样率的关系图2．1AD7685芯片的内部原理图3是AD7685的管脚配置图。AD7685在管脚设计上是非常简单的，IN+，IN-为差分模拟输入端，REF为电压基准输入端，VDD，VIO，GND分别为模拟和数字电源输入端，SDI，SDO，SCK为串行接口，CNV为转换输入端。图3AD7685的管脚配置图AD7685是基于电荷重分配原理产生模拟电压输出的逐次逼近型ADC。图4展示了AD7685的内部原理。电容型的DAC由两组相同的16个按照二进制加权排列的电容阵列组成，然后连接到比较器的两个输入端。的转换原理图在采样阶段，SW+和SW-闭合，连接到比较器的输入端的电容阵列通过SW+和SW-连接到AGND。所有自由的开关连接到模拟输入，此时，电容阵列主要作为采集IN+和IN-输入的模拟信号的采样电容。当采样完成，CNV输入变为“高”，一个转换被初始化。当转换开始，SW＋和SW-首先为“开启”，两个电容阵列从模拟输入断开，连接到GND。因此，在采样结尾处捕获的IN+和IN-的输入差分电压输入到比较器的输入，引起比较器的不平衡输入。通过切换GND和REF之间的电容阵列开关，比较器以二进制权重电压步进（VREF/2，VREF/4...VREF/65536)。通过控制逻辑触发这些开关，从MSB开始，通过比较器来获得平衡条件。这个过程完成后，芯片进入省电状态（其实，这也是该芯片低功耗的一个原因之一）返回到新的采样阶段，控制逻辑产生ADC的输出码反映模拟输入信号，同时产生BUSY信号指示ADC转换完成。由于AD7685具有内部的时钟信号SCK，不需要外接时钟。如下图5AD7685的模拟输入端等效电路，在模拟输入端IN+和IN-，AD7685提供了两个保护二极管，提供ESD保护。在设计的时候要保证模拟输入信号不能超过电源轨0.3V，因为这会导致这些二极管正向偏置和导致二极管击穿。这些二极管可以承受最大130mA的正向偏置电流。例如，当输入缓冲器电源和VDD不同时，就会产生这样的问题。在这样的条件下，需要使用受控短路电流输入缓冲器来保护ADC。图5AD7685的模拟输入端的等效电路2.2AD7685的硬件设计AD7685产品本身具有优越的性能，但是要想在实际应用中，获得更好地性能，合理的硬件电路设计是必不可少的。根据有源光电互感器产品系统需要，我们将对AD7685的前置放大，基准设计，电源，接口设计进行探讨。具有较高的输入阻抗，在产品设计，由于在电路采样过程中，Rogowski线圈或其他低功率CT的信号具有噪声等问题，所以需要在ADC前端设置前置运放滤波和驱动电路，保证系统的整体性能要求。ADA4841-x系列具有极低的噪声（2nV/√Hz的宽带电压噪声和1.4pA/√Hz的宽带电流噪声）和失真，而且仅消耗1.1mA的电源电流，所以非常适合于低功耗应用。图6为ADA4841-1前置驱动电路的原理图。注意ADA4841-1运放后端的RC滤波电路为滤除运放噪声而设计。33Ohm2.7nF43152ADA4841-1SignalInputVIN+3VIN-4GND5AD76853.3V图6ADA4841-1前置驱动原理图另外，由于Rogowski线圈输出的信号为根据时间变化的电流量，所以需要使用积分电路进行积分，由于现在Rogowski线圈输出没有统一的标准，所以对于不同的输出，积分电路的积分常数不同，本文不做讨论，请读者查阅相关资料。但从产品设计上，推荐使用AD8622，OP1177，AD8603等低功耗，高性能的运放设计积分电路。2.2.2电压基准源的设计ADI公司新的ADR12x系列低电压基准电压源采用超小型的TSPT-23封装，兼备高精密和低工作电压的特点。这些器件在扩展工业温度范围(-40℃-+125℃)内具有最低的温度漂移性能(5ppm/℃)，比同类器件改善了10%，而且只需要很小的工作电流，仅为85μA。在小尺寸封装中取得如此的精度提高得益于iPolar制造工艺的微调机能(trimmingefficiencies)。ADR12x系列兼备了低功耗、高精密度和小尺寸，从而使它们在便携式和电池供电的工业仪器仪表设备中。AD7685的电压基准输入端具有动态的输入阻抗，所以可以直接使用低阻抗源来驱动。在多通道ADC采样系统中，大多数精密参考电压源在驱动ADC前需要进行缓冲，原因主要有两个：一是使从参考电压源吸取的电流在限制范围内，二是避免ADC参考电路的噪声干扰其他ADC参考输入。特别是逐次逼近模数转换器，ADC对输入信号进行采样时，参考都受到干扰，且必须需要一段时间来稳定下来。在这期间，使用该参考电压源的任何ADC，其转换结果都不是很好。在设计中，我们使用ADR121作为2.5V电压基准输入，使用AD8031作为缓冲来提高输入阻抗。图7和图8展示了两种推荐的设计电路原理，从提高性能角度讲，图7采用了多个数据缓冲的方式，各个ADC之间的电压基准电路噪声不会互相干扰，但是对功耗会有所升高，这个需要我们根据系统设计进行选择。除了ADR121之外，设计者可以选择的电压基准源还有低功耗的ADR421，ADR441，ADR391等产品。10Ohm0.1uF0.1uF0.1uF+470uF/16V0.1uF43152AD8031REFIN1AD7685_33.3VNC1GND2VIN3VOUT4NC5NC6ADR1213.3VREFIN1AD7685_2REFIN1AD7685_10.1uF43152AD80313.3V0.1uF43152AD80313.3V图7ADR121电压基准多数据缓冲方式图8ADR121电压基准单数据缓冲方式2.2.3电源的设计AD7685支持从2.3V到5.5V的宽电源输入。它有两个电源管脚VDD和VIO：ADC核电源VDD和数字IO接口电源VIO。VIO可以支持从1.8V到VDD的电源输入。为了减少电源数量，VDD和VIO在设计中可以使用同一个3.3V的电源。同时为了提高电源的质量和保证稳定性，在VDD和VIO引脚处分别连接一个到GND的10uF和0.1uF的去耦电容。2.2.4串行接口的设计AD7685采用灵活的串行接口模式。在/CS模式时，它兼容于SPI，QSPI，数字主接口和DSP，例如BlackfinADSP-BF53X或是ADSP-219X