【導讀】圖1所示電路是一款完全隔離的電流傳感電路，自帶隔離電源。 該電路具有極強的魯棒性，可以安裝在檢測電阻附近，以實(shí)現精確的測量，最大程度地降低噪聲拾取。 輸出為來(lái)自一個(gè)Σ-Δ調制器的單路16 MHz位流，由一個(gè)DSP通過(guò)一個(gè)sinc3 數字濾波器進(jìn)行處理。
圖1. 隔離式電流檢測電路(簡(jiǎn)化原理圖： 未顯示所有連接和去耦)
該電路是太陽(yáng)能光伏(PV)轉換器交流電流監測的理想選擇，在這種應用中，峰值交流電壓可能高達數百伏特，電流可能在幾mA到25 A之間變化。
電路描述
電路采用一個(gè)1mΩ檢測電阻，通過(guò)一個(gè)雙通道AD8639低失調放大器來(lái)測量最高±25 A的峰值電流。放大器的增益設為10，以發(fā)揮AD7401AΣ-Δ調制器的滿(mǎn)量程范圍優(yōu)勢。對于較高的電流，可以通過(guò)相應降低AD8639的增益來(lái)測量(最高±50 A或±100 A)，以確保發(fā)揮出AD7401A滿(mǎn)量程輸入范圍的最大優(yōu)勢。
通過(guò)1 mΩ電阻的±25 A電流形成±25 mV的電壓。然后，該電壓由AD8639放大至±250mV，并輸入AD7401A。AD7401A的差分輸入充當傳統三運放儀表放大器配置中的差動(dòng)放大器。
憑借僅3 μV的典型失調電壓、0.01 μV/°C的漂移以及1.2 μV p-p的噪聲(0.1 Hz至10 Hz)，AD8639非常適合必須將直流誤差源降至最低的應用。整個(gè)工作溫度范圍內幾乎為零的漂移特性可以給太陽(yáng)能面板應用帶來(lái)極大的好處。許多系統都可以利用AD8639提供的軌到軌輸出擺幅來(lái)使信噪比(SNR)達到最大。
在電流測量電流周?chē)捎靡粋€(gè)保護環(huán)，以防止任何漏電流進(jìn)入這個(gè)敏感的低電壓區域。BAT54肖特基二極管可以保護AD8639的輸入，使其不受瞬態(tài)過(guò)壓和ESD的影響。單極點(diǎn)RC濾波器(102 Ω、1 nF)的差模帶寬為1.56 MHz，可以降低AD7401A輸入端的帶寬噪聲。
Σ-Δ調制器需要一個(gè)來(lái)自外部源的時(shí)鐘輸入，如DSP處理器或FPGA。 時(shí)鐘頻率的可能范圍為5 MHz至20 MHz，圖1所示電路使用的頻率是16 MHz。調制器極其強大的單位流輸出可以直接由sinc3濾波器處理，其中，可將數據轉換成一個(gè)ADC字。
交流和直流信息都可以用AD740x器件來(lái)分析，因此，不但可以監控交流性能，而且還可以監控系統中可能存在的任何直流注入。在太陽(yáng)能應用中，直流注入至關(guān)重要，因為如果過(guò)多的直流電流注入電網(wǎng)，結果可能使其路徑上的任何變壓器飽和，因此，必須將直流電流限制在低毫安范圍之內。
使用AD740x器件一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢在于，它們可以非常接近實(shí)際交流電流路徑，而DSP或FPGA則可能存在一定的距離，甚至位于系統中的另一塊電路板上。這樣，通過(guò)最大程度地降低EMI/RFI效應，結果可以提高整個(gè)系統的精度。安全性通過(guò)20 µm聚酰亞胺薄膜隔離柵來(lái)實(shí)現。更多有關(guān)這些內容的信息以及各種認證可在相關(guān)數據手冊中找到。AD7401A工作電壓高達891 V單極性范圍，或565 V雙極性范圍，并橫跨隔離柵，如表1所示。
表1. AD7401A的最大連續工作電壓1
1指隔離柵上的連續電壓幅度。 詳情請參見(jiàn)AD7401A數據手冊。
電源配置
ADuM6000是一款5 V隔離式DC-DC轉換器，通過(guò)一個(gè)內部625 kHz PWM方式提供跨越隔離柵的5 V直流電源。該電流在隔離柵的隔離端整流和濾波。
AD8639運算放大器電源被調節至±2.5 V，以實(shí)現更好的噪聲性能。+2.5 V由低噪聲ADP121低壓差穩壓器提供，后者由+5 V隔離電源驅動(dòng)。
ADM8829開(kāi)關(guān)電容電壓逆變器由+5 V隔離電源驅動(dòng)，產(chǎn)生−5 V輸出電壓，后者由ADP7182負線(xiàn)性穩壓器調節至−2.5 V。
原理
AD7401A是一款二階Σ-Δ調制器，片上的數字隔離采用ADI公司的iCoupler®技術(shù)，能將模擬輸入信號轉換為高速1位數據流。模擬調制器對模擬輸入信號連續采樣，因而無(wú)需外部采樣保持電路。AD7401A采用5 V電源供電，可輸入±250 mV的差分信號(滿(mǎn)量程±320 m)。輸入信息以數據流密度的形式包含在輸出數據流內，該數據流的最高數據速率可到20 MHz。通過(guò)適當的數字濾波器重構原始信息。處理器側(非隔離)可采用5 V或3 V電源(VDD2)。
太陽(yáng)能應用中的電流測量需采用隔離測量技術(shù)。AD7401A是ADI公司以交流測量實(shí)現此類(lèi)應用的眾多產(chǎn)品之一。這類(lèi)隔離基于iCoupler® 技術(shù)。
電流互感器是一種替代隔離方法，稱(chēng)為電流隔離。
本文介紹采用AD7401A和ADuM6000器件，并由ADI公司設計的電流測量模塊的典型性能。
太陽(yáng)能光伏(PV)逆變器系統應用
太陽(yáng)能光伏逆變器轉換來(lái)自太陽(yáng)能面板的電能并高效地將其輸送到公用電網(wǎng)中。來(lái)自太陽(yáng)能面板的電能基本上屬于直流源，它會(huì )被轉換成交流，并與電網(wǎng)頻率成一定的相位關(guān)系，饋送至公用電網(wǎng)上，且效率極高(95%至98%)。轉換可以采用單級，也可以采用多級，如圖2所示。第一級通常為DC-DC轉換，其中太陽(yáng)能面板的低電壓與高電流輸出轉換為高電壓與低電流。這樣做的目的是為了將電壓提升至與電網(wǎng)峰值電壓兼容的水平。第二級通常將直流電壓和電流轉換為交流電壓和電流，一般使用H-電橋電路。(見(jiàn)ADI文章“借助隔離技術(shù)將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統整合于智能電網(wǎng)”)。
圖2. 太陽(yáng)能光伏逆變器系統
以前的太陽(yáng)能光伏逆變器只是將電能轉儲到公用電網(wǎng)的模塊。面向新設計的太陽(yáng)能逆變器側重于安全性、電網(wǎng)整合和成本的降低。為此，太陽(yáng)能光伏逆變器設計人員正在考慮采用現有太陽(yáng)能逆變器模塊中未使用的新技術(shù)來(lái)改善性能，并盡可能降低成本。
在該電路中，DSP控制著(zhù)DC-DC轉換器和DC-AC轉換器。公用電網(wǎng)一般通過(guò)繼電器連接。交流電流測量由AD7401A實(shí)現，該器件測量輸出到電網(wǎng)的電流，通常為25A。
太陽(yáng)能光伏逆變器系統的輸出端可能有隔離變壓器，也可能沒(méi)有(出于節省成本的考慮)，但是，如果沒(méi)有變壓器，則太陽(yáng)能光伏逆變器必須測量輸出電流的直流分量。該電流稱(chēng)為直流注入，其值對電路的運行至關(guān)重要。過(guò)多直流注入到電網(wǎng)，結果可能使直流路徑上的任何變壓器飽和。直流注入電流必須限制在低mA值之內。在該應用中，這兩個(gè)任務(wù)都能夠完成，由此可以實(shí)現成本的節省，因為諸如霍爾效應電流傳感器一類(lèi)的替代方法可能需要兩個(gè)器件：一個(gè)用于高電流范圍，一個(gè)用于低電流范圍。
AD7401A的失調性能
電流測量模塊中AD7401A的失調在整個(gè)溫度范圍內(最高為125°C)進(jìn)行測量。結果如圖3所示，符合AD7401A數據手冊中的規格。在整個(gè)溫度范圍內，在分流電阻中無(wú)電流流過(guò)的情況下，測得的最大失調變化約為±20 mA(溫度范圍：−40°C至+125°C)。
測試中施加的電壓如下：
• VDD_ISO = 5 V
• VDD_FPGA = 3.3 V
• MCLKIN = 16 MHz(EVAL-CED1Z，采用Altera FPGA，256抽取率)。
• VIN = 6 V @ 62 mA(電流檢測模塊輸入電源電壓)。
圖3. AD7401A模塊失調
線(xiàn)性度性能
分析了模塊在最高±28A的電流條件下的線(xiàn)性度。如圖4所示，校準后可以實(shí)現低于±0.2%的線(xiàn)性度。分析中采用了上一節規定的電壓。圖4同時(shí)展示了滿(mǎn)量程誤差和絕對誤差分析，定義如下：
滿(mǎn)量程誤差= (V分流 – V計算) / V滿(mǎn)量程
絕對誤差 = ( V分流 – V計算) / V分流
其中
V分流 = 精密分流電阻中的電流(用DVM測量)
V計算 = 來(lái)自ADC輸出的計算所得電流(AD7401A)
V滿(mǎn)量程 = 模塊的滿(mǎn)量程電流范圍(28 A)。
使用絕對誤差方法的好處在于，可以在低測量范圍下分析誤差，此時(shí)的誤差表現較為突出。對于太陽(yáng)能應用來(lái)說(shuō)，這是十分重要的，因為可以在低電流范圍中測量直流注入。
圖4. AD7401A線(xiàn)性度性能
SINC3 濾波器性能
AD7401A的額定抽取速率(DR)為256，但也可在其他抽取速率下使用該器件。當DR = 256時(shí)，sinc3濾波器的響應如圖5所示，其中，輸出數據速率為62.5 kHz，FFT噪底如圖6所示。
圖5. Sinc3濾波器的響應(抽取速率= 256，輸出數據速率= 62.5 kHz)
圖6. 16K點(diǎn)FFT所示噪底(抽取速率= 256，輸出數據速率= 62.5 kHz)
對于較高的抽取速率，sinc3濾波器響應大幅改善。當DR =1024時(shí)，sinc3濾波器的響應如圖7所示，其中，數據速率為15.6 kHz。這時(shí)，系統的噪聲性能有所改善，如圖8所示，只是數據速率降低了。
圖7. Sinc3濾波器的響應(抽取速率= 1024，輸出數據速率= 15.6 kHz)
圖8. 16K點(diǎn)FFT所示噪底(抽取速率= 1024，輸出數據速率= 15.6 kHz)
布局考量
設計印刷電路板(PCB)布局時(shí)應特別小心，必須符合相關(guān)輻射標準。有關(guān)電路板布局建議，請參閱AN-0971應用筆記。這種布局的示例如圖9所示。布局的關(guān)鍵是確保第3層(浮動(dòng)層)與第2層(接地層)之間有良好的重疊。這一簡(jiǎn)單的重疊可以大幅降低系統中的輻射。圖10所示為PCB布局的俯視圖，圖11為實(shí)際電路板照片。
圖9. 4層電路板示例
圖10. 電流測量建議布局
圖11. 電流測量板照片
ADI隔離式ADC和isoPower器件符合太陽(yáng)能工業(yè)的需求，可為電力系統提供新的技術(shù)。與當今太陽(yáng)能逆變器中使用的常規方法相比，使用這種技術(shù)可以改善電網(wǎng)集成的性能。
常見(jiàn)變化
AD8638運算放大器是AD8639的單通道版本。AD7401AΣ-Δ調制器系列的其他成員包括集成10 MHz片內時(shí)鐘的AD7400。
電路評估與測試
設備要求
• 能在100V下輸出28A電流的直流源，用于仿真源。
• 6.5位DVM和校準分流電阻，用于測量輸入電流
• EVAL-CN0280-EB1Z評估板
• 6 V、200 mA電源
• 7 V、2 A電源
• EVAL-CED1Z轉變器評估和開(kāi)發(fā)板軟件。
• 有關(guān)sinc3濾波器的實(shí)現示例代碼可在A(yíng)D7401A數據手冊中找到。
功能框圖
圖12顯示測試設置的功能框圖。
圖12. 測試設置功能框圖
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