【应用】隔离型模数转换器ADC为交流线路监控提供了灵活经济高效的解决方案

时间： 2019-02-08 来源：Silicon Labs

技术问答

交流线路监控器可以实时捕获和记录频率、电压和电流扰动、谐波电压振幅和电压不平衡，从而达到监测特定负载下传输电能的实时质量。从简单的单相线路故障探测器到高精度的多相系统都有交流线路监控器的身影，这些监控器因应用场景不同在功能、测量精度和成本上各有不同。

一些终端应用的发展正在推动交流线路监视器使用的增长。例如，不断扩大的数据处理中心不仅需要监控数据处理运行中消耗的电力，还需要监控基础设施设备的用电情况，如采暖空调，照明，安全，通信等，以期达到在各方面高效运行。就连从事建筑和基础设施项目的建筑工人们也在他们的便携式发电机上安装了交流电源监控器，以保护昂贵的设备不受线路频率不稳定、电力瞬变等其他异常因素的影响。此外，在医疗设施、研究实验室和工业综合体中也有长期使用交流线路监控器的应用。如果线路电源对特定应用是非常关键的，那么几乎可以肯定的是，必然有交流线路监控器正在工作，密切监视着电力运行情况。

为特定的应用场景选择交流线路监视器基本上是非常简单的。第一步，开发人员需要生成一个满足终端应用的需求规格清单。此外，唯一需要考虑的是满足电流隔离安全标准以及评估解决方案的成本。系统级交流线路监视器具有灵活性、体积小、精度高、可靠性高、连接灵活、使用方便等优点。对于单个或少量监控应用的场景，一些用户可能会使用电压和电流互感器(可能还有霍尔效应电流传感器)的某种组合来开发自己的交流线路监控，并将输出连接到外部电压表或其他仪表。虽然这些方法对于的简单监控应用场景既可以满足监控需求，设计操作起来又简单方便，但是它们的尺寸和电磁干扰(EMI)常常限制了其可扩展性，使其难以应用在更复杂的应用场景。而且这些简单监控系统无法与系统级交流线路监视器的尺寸、精度和鲁棒特性相提并论。

大多数现代AC线路监控器使用一个或多个模拟-数字转换器(ADC)将电力线路模拟信号转换成数字格式,然后采用本地高速处理器对经过转换的数据进行处理(参见图1)。这种方法使线路监控器可以获取到许多有用的操作参数。通常通过对电压和电流数据的操作处理来计算峰值和平均功率输出、功率因数角度、谐波电压幅值和线路频率等参数。

图1 交流线路监控器框图

开发人员对任何特定交流线路监视器的选择最终都取决于终端应用场景的需要。例如，公用事业电能表是计费过程的核心，如果公用事业电能表的功能不够强大，就会影响到服务提供商的利润或客户的支出。对于这类精密应用，线路监视器的设计必须面向高精度和防篡改操作，并且很可能使用独立的ADCs(同时触发)来测量电压和电流，并将电压-电流相移误差最小化，如图2A所示。该线路监视器还将使用高精度(如24位)ADC，以提供额定测量精度所需的有效位数(ENOB)。

图2 交流线路监控器示例

与公用电表的例子相比，仅需要检测严重故障和测量负载效率的系统的复杂程度就要低得多，可能只会使用一个低成本的、单个10位-12位的低成本ADC(参见图2B)，同时集成信号处理功能。公用系统相关的数学运算要求使用高性能的微控制器(MCU)或数字信号处理器(DSP)，而线路故障监控器仅需要小型状态机或低成本普通MCU。

交流监控模拟前端(ACAFE)

相较于复杂的交流装置需要非常精确和昂贵的线路监测设备，简单应用场景下只需要一个能够测量、转换和传输数据到外部数据处理设备的交流监测模拟前端(ACAFE)即可。这种ACAFE方法非常灵活，任何具有UART、I2C或SPI端口的处理器都可以直接控制ACAFE并接收转换后的数据(参见图3)。ACAFE可以通过协议转换器(如I2C-USB转换器)来连接PC或其他计算系统。

ACAFE基于隔离型智能ADC单芯片(在本例中,采用芯科科技的Si890x系列),其中包含一个ADC子系统，该ADC子系统包括一个10位、500ksps SAR ADC，一个三通道模拟输入多路复用器(MUX)和一个系列增益放大器，用户可编程设置其增益为1x或0.5x。ADC有一个内部参考，但如果需要，也可以使用一个外部参考。芯片上的其他功能包括控制状态机（监控着主机控制器和ACAFE之间的所有操作处理），一个 UART、I2C或SPI串口和一个额定2.5 kV或5.0 kV电流隔离器（提供输入/输出安全隔离和电平转换）。这种高度集成的独立封装ACAFE简化了设计，并在经济的预算范围内实现了非常好的监控性能。

图3 基于AFE的交流线路监控器

ACAFE可以在两种工作模式下运行。在Demand模式下，外部主机控制器按需触发单个ADC转换。这种模式对于因噪声或系统状态等原因而必须在特定时间执行ADC转换的场景非常有帮助。在Burst模式下，ADC转换是连续执行的。系统主机处理器可以根据需要从一种模式自由切换到另一种模式。

UART和I2C串口的工作速率范围是250kbps, SPI端口的工作速率可高达2.4 Mbps。这些端口采用芯科科技的CMOS隔离器进行隔离，用户可以选择2.5 kV规格或5 kV规格。使用Si890x ACAFE的典型应用电路如图4所示，其中Si890x作为单相交流线路电压和电流的监视器进行工作。用户提供线路侧接口电路(差分放大器和VDDA直流偏置，使用普通运放、LDO和无源器件)。交流电流由ADC输入脚位AIN0进行测量，交流线路电压由电阻R17和R18测量，并参考1.5 V VREF进行电平转换。交流线路电流是通过连接并联电阻R1的差分放大器U1来测量的。数据通过隔离的串口传输到外部控制器或处理器。

图4 ACAFE典型应用电路

ACAFE评估模块

ACAFE整体解决方案评估模块可以让开发人员安全且很容易地评估ACAFE(参见图5)。这个模块包含一个全功能线路侧接口与偏置源,可以评估Si890x系列的3款隔离型ADC，用户可以手动选择其中任意一个进行评估。该模块还包含一个主机处理器，可以下发ADC转换命令并接收数据。主机处理器有两个集成的数模转换器(DACs)，可以将数字格式的信号还原为模拟信号，用户可以在示波器上看到重构后的模拟波形。开发人员还可以使用SILICON LABS开发工具包对基于flash的主机控制器进行重新编程，以满足他们的需求。

图5 ACAFE评估板，外壳及内部PCBA

总结

交流线路监控着宝贵的交流线路，确保其可靠性，避免潜在的电力故障。这些交流线路监视器根据不同的应用场景有着不同的形状、大小和功能集。ACAFE方法提供了一种灵活的、占用空间小的、成本有效的交流线路监控解决方案，可以为中等复杂性的交流线路监控应用场景提供最好的服务。

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全部评论（1）

鄗立恒 Lv8. 研究员 2019-02-08

学习了。

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有没有自带隔离DC-DC的数字芯片应用在SPI通讯应用上？

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Si8900/1/2 ISOLATED MONITORING ADC

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白皮书 - SILICON LABS - Rev 0.1 - 2016年07月27日 PDF 英文下载