基于A(yíng)D7606的高性能電力線(xiàn)監測、繼電保護系統設計

隨著(zhù)全球電網(wǎng)持續的發(fā)展，電力線(xiàn)監測、繼電保護產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代并改變著(zhù)設計模式。作為全球領(lǐng)先的高性能信號處理解決方案供應商，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(xiàn)：第一代電力繼電保護產(chǎn)品均采用模擬開(kāi)關(guān)，采用單通道16位ADC（如AD976、AD574）進(jìn)行設計；后來(lái)出現了使用16位的AD7656和14位的AD7865配合模擬開(kāi)關(guān)的第二代繼電保護產(chǎn)品，AD7656和AD7865在當前很多電力繼電保護產(chǎn)品中仍有非常成功的應用案例；隨著(zhù)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的主流選擇，目前該產(chǎn)品仍在大量的電力監測及保護設備中發(fā)揮重要作用。

隨著(zhù)電網(wǎng)智能化管理發(fā)展趨勢，電力線(xiàn)監測及保護產(chǎn)品設計面臨越來(lái)越多的挑戰，多通道電流與電壓監控系統的設計人員需要應對諸如雙電源、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雜的設計挑戰。作為電力二次設備制造商的關(guān)鍵方案提供商，ADI公司深刻理解全球電力設備企業(yè)的技術(shù)需求，在A(yíng)D7656成功應用的經(jīng)驗基礎之上，再次成功推出16位8通道同步采樣AD7606系列，幫助客戶(hù)更好地應對智能電網(wǎng)時(shí)代開(kāi)發(fā)二次設備所面臨的技術(shù)挑戰。

圖1：ADI公司高性能ADC產(chǎn)品發(fā)展路線(xiàn)圖。
AD7606簡(jiǎn)化電力線(xiàn)監測系統設計
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到200ksps。單芯片內集成多個(gè)通道可支持變電站自動(dòng)化設備中三相電流、電壓和零線(xiàn)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，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)現最高200 kSPS的采樣速率。它內置低噪聲、高阻抗輸入和信號調整放大器，可處理最高22 kHz的輸入頻率。AD7606的信噪比(SNR)高達90dB，選用片內數字濾波器可以進(jìn)一步改善SNR性能、縮小誤碼、擴頻并提高抗混疊抑制。轉換過(guò)程與數據采集利用CONVST信號和內部振蕩器進(jìn)行控制。通過(guò)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(jiǎn)化電路設計（上下圖分別為采用AD7656和AD7606的電路示意圖）。

AD7606內部的信號調理電路中已經(jīng)包含了低噪聲、高輸入阻抗的信號調理電路，其等效輸入阻抗完全獨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(jiǎn)化了前端設計，不再需要外部驅動(dòng)和濾波電路。因此，二次互感器輸出的信號無(wú)需再經(jīng)過(guò)運放來(lái)緩沖就可以直接接入AD7606。AD7606內部集成了2.5V帶隙電壓基準和基準緩沖電路，設計應用中可根據系統要求選用內置基準或外部基準，在多片ADC的設計中，如果需求高絕對精度，則應采用高初始精度和低溫度系數的外部基準，以消除不同器件內置基準之間的差異而帶來(lái)的誤差。推薦選用初始精度0.04%，溫度系數3ppm/℃的ADR421B。如果需求多片ADC通道之間的數值匹配，可設置第一片AD7606工作在內置基準模式，其余AD7606為外部基準模式，然后通過(guò)第一片AD7606的內置基準輸出供給其余AD7606。從而在不加外部基準的情況下即可保證多個(gè)AD7606通道間數據的匹配性。

圖3：AD7606突出的性能優(yōu)勢讓您的系統設計更簡(jiǎn)單。

而AD7606低至100mW的運行功耗和僅25mW的待機功耗保持了ADI公司在A(yíng)DC低功耗技術(shù)上的優(yōu)勢，特別是當一塊電路板上有若干多通道ADC時(shí)（某些系統需要一塊電路板上有多達上百個(gè)ADC通道），功耗是一項重要考量因素，這種低功耗的特性是簡(jiǎn)化系統熱設計、提高系統可靠性的關(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應用，設計者可以分別采用8+4、8+6通道的靈活設計組合，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，相同的電路設計可以適用于多種不同通道數的系統配置。
電路設計建議
大多數電力線(xiàn)監測系統都會(huì )采用多個(gè)AD7606器件以實(shí)現多通道同步采樣。為確保器件之間的性能良好匹配，這些器件必須采用對稱(chēng)布局。AVCC電壓平面沿兩個(gè)器件的右側布置，VDRIVE電源走線(xiàn)沿兩個(gè)AD7606器件的左側布置?；鶞孰妷盒酒珹DR421位于兩個(gè)AD7606器件之間，基準電壓走線(xiàn)向上布置到U2的引腳42，向下布設到U1的引腳42。使用實(shí)心接地層。這些對稱(chēng)布局原則適用于含有兩個(gè)以上AD7606器件的系統。AD7606器件可以沿南北方向放置，基準電壓位于器件的中間，基準電壓走線(xiàn)則沿南北方向。