多通道采樣精確的按鍵電力線(xiàn)監控

準確的電力線(xiàn)監控已在電網(wǎng)本身，而且在其邊緣成為一個(gè)關(guān)鍵的要求，不僅集中。對于并網(wǎng)能量收集發(fā)電系統，甚至為終端設備，持續的電能質(zhì)量特性分析，有助于確保電網(wǎng)和連接系統的健康狀況。在功率監視系統的心臟，模擬 - 數字轉換器(ADC)起到測量線(xiàn)路電壓和電流的精度適合于每個(gè)應用程序的電平的關(guān)鍵作用。工程師可以從制造商包括Analog Devices公司，產(chǎn)科寶電子，Intersil公司，凌力爾特滿(mǎn)足各種需求 - 從公用事業(yè)級系統精度所需收入的目的基本電源監視器用于檢測線(xiàn)路故障，采用高性能ADC和相關(guān)組件， Maxim的集成，Microchip的科技，安森美半導體，電子脈沖和德州儀器。

在最基本的層面上，電力監控系統依賴(lài)于瞬時(shí)電流和電壓使用電流互感器(CT)和電壓互感器的測量(稱(chēng)為PT，用于電壓互感器)的輸出轉換成由高速ADC(圖1)。反過(guò)來(lái)，一個(gè)處理器使用的瞬時(shí)電流和電壓測量值來(lái)計算密鑰的特性，包括有功功率，無(wú)功功率，視在功率和功率因數 - 甚至更復雜的計算，例如諧波，這會(huì )導致設備損壞。

德州儀器典型的電力監控系統的圖像

圖1：典型的電力監控系統的樣品線(xiàn)路電流和電壓，采用高速模擬 - 數字轉換器(ADC)，提供高分辨率的數據，以用于電力參數計算的主處理器。 (德州儀器提供)

執行這些功率計算取決于最前面上精確地測量電壓和電流。如ANSI C12.20北美和IEC 62053標準規定的特定精度水平，如0.2級，這需要±0.2%的精度。在實(shí)踐中，功率測量系統通常被設計為超越標準精度規格-依靠高采樣率和高分辨率的轉換器，以捕捉高速瞬變，并確保更復雜的特性，例如多諧波可靠的計算。

與此同時(shí)，這些功率特性的測量需要緊密同步的，電壓和電流在所有三個(gè)階段和中性的高分辨率測量。同步采樣允許的電壓和電流，每行之間的相位角的非常精確的測量。電壓和電流測量之間缺乏同步可以引入假象，降低整體精度，顯著(zhù)妥協(xié)更復雜的功率計算。

同時(shí)采樣

為了減少高精度多通道測量的復雜度，設計者可以轉向，結合高分辨率ADC與旨在優(yōu)化阻抗匹配模擬前端(AFE)，信號的動(dòng)態(tài)范圍高度集成的器件，偏移，并且能夠侵蝕性能的其他因素和數據轉換的準確性。制造商通常圍繞逐次逼近寄存器(SAR)轉換器這些高性能同步采樣ADC。 SAR ADC提供高精確度不與Δ-Σ模數轉換器用于實(shí)現高穩定性和轉換分辨率的過(guò)采樣相關(guān)的周期延遲。

對于最苛刻的應用，半導體制造商集成了復雜的AFE和專(zhuān)用SAR ADC，每個(gè)通道。對于高度精確的功率監控，8通道ADC，例如Maxim的MAX11046集成和德州儀器ADS8568讓所有三個(gè)階段的同步采樣和中性(圖2)。為每個(gè)信道專(zhuān)用的AFE和ADC，這些設備都能夠實(shí)現非常高的數據速率-250每個(gè)通道ksps的用于MAX11046和510 ksps時(shí)為ADS8568(并行輸出接口)。

Maxim的集成的三相電源監控圖像

圖2：三相電源監控，同時(shí)采樣ADC提供了獨立的AFE和ADC每個(gè)八通道需要高度精確的功率計算。 (馬克西姆集成提供)

對于一些應用，設計人員可以簡(jiǎn)單地扎CT和PT的緩沖輸出直接進(jìn)入的ADC包括的Maxim集成MAX11046和TI ADS8568的輸入，如圖建議2.設備如MAX11046提供高輸入的輸入阻抗和自我保護輸入鉗位支持這種類(lèi)型的簡(jiǎn)單配置。為了實(shí)現最大的吞吐量，但是，ADC通常所需要的換能器和ADC之間的運算放大器的驅動(dòng)程序。事實(shí)上，無(wú)論從馬克西姆集成和德州儀器評估板包括這樣的驅動(dòng)程序。其MAXREFDES30評估板為MAX11046，美信集成包括其MAX44252運算放大器的驅動(dòng)程序。在TI ADS8688EVM-PDK評估板為ADS8568，德州儀器包括其OPA2209運放的驅動(dòng)程序。

不太嚴格的要求

對于電力監控應用不太嚴格精度要求，設計人員可以轉向更溫和的性能屬性的設備。較簡(jiǎn)單的要求功率監視器僅需要檢測故障在電力線(xiàn)可利用較低分辨率的ADC的優(yōu)勢。德州儀器LMP92064電流/電壓監視IC使用這種方法來(lái)提供一個(gè)單線(xiàn)功率監視IC，它需要很少的額外的組件(圖3)。該器件集成精密電流檢測放大器來(lái)測量分流電阻和一個(gè)緩沖電壓信道來(lái)測量電壓電源的負載的負載電流。盡管如此，由獨立125-ksps的同時(shí)采樣電流和電壓通道的能力，12位ADC支持精確的功率計算。

德州儀器LMP92064的圖

圖3：功率監控器IC，例如德州儀器LMP92064使用一對12位ADC，支持功率計算與不太苛刻的精度要求的應用。 (德州儀器提供)

對于更簡(jiǎn)單的監控要求，設計人員可以經(jīng)常使用單一的ADC，具有一個(gè)外部多路轉換器來(lái)監視電壓和電流的每一行上。事實(shí)上，8：1多路復用器，如Intersil的DG408器，Maxim Integrated MAX4581和安森美半導體MC74HC4051A可以支持需要更基本的電力監控三相應用。

設計師可以找到的ADC設計，支持廣泛的渠道整合多路復用器，數據吞吐量，并轉換分辨率。對于三相電源監控，如ADI公司AD7699，凌特LTC2372和德州儀器ADS8688器件集成了八通道多路復用器與ADC和專(zhuān)用的模擬前端為每個(gè)通道。例如，TI的ADS8688的每個(gè)輸入通道包括過(guò)電壓保護，可編程增益放大器(PGA)，低通濾波器，并驅動(dòng)進(jìn)給共享多路復用到單個(gè)ADC。

結論

確保電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求的電壓高精度測量和電流每相。對于網(wǎng)并列能量采集系統和設備，電力監控同樣需要高分辨率，線(xiàn)電壓的同時(shí)采樣和當前使用的ADC提供專(zhuān)用轉換器，用于每個(gè)信道。盡管基本的故障監控建立在相同的原理，高精度測量應用，設計人員可使用較低分辨率的ADC或提供高分辨率多通道測量以較低的吞吐速率復用的設備。設計師可以找到專(zhuān)為滿(mǎn)足這些廣泛的渠道支持，位分辨率和采樣率的ADC要求現成的可用性。