ADE7912/ADE7913内置SPI接口的2通道、隔离式Σ-Δ型ADC技术手册

概述
ADE7912/[ADE7913]是隔离式3通道Σ-Δ型ADC，可用于多种应用，如基于分流器的三相电表、电能质量监控、太阳能逆变器、过程监控和保护器件。数据和电源隔离采用ADI公司的iCoupler ^®^ 技术。ADE7912集成两个24位ADC，而ADE7913集成三个ADC。电流ADC可在3 kHz信号带宽内提供67 dB信噪比，而电压ADC可在相同的带宽内提供72 dB信噪比。其中一个通道在分流器用于电流感应时专门用来测量该分流器的电压。最多两个额外的通道专用于测量电压，通常采用电阻分压器来检测电压。一个电压通道可用于测量芯片温度，测量时使用内部传感器。ADE7913提供三个通道：一个电流通道和两个电压通道。ADE7912有一个电压通道，其他方面与ADE7913相同。
数据表：*附件：ADE7912 ADE7913内置SPI接口的2通道、隔离式Σ-Δ型ADC技术手册.pdf

应用

• 基于三相电流检测
• 电力质量监控
• 太阳能逆变器
• 过程监控
• 保护器件隔离传感器接口
• 工业PLC

特性

• 两个隔离式Σ-Δ型模数转换器（同步采样ADC）
• 集成 isoPower，隔离式DC-DC转换器
• 片内温度传感器
• 四线式SPI串行接口
• 多达4个ADE7912/ADE7913器件由单个晶振或外部时钟计时
• 多个ADE7912/ADE7913器件同步
• 电流通道峰值输入范围为±31.25 mV
• 电压通道峰值输入范围为±500 mV
• 基准电压漂移：10 ppm/°C（典型值）
• 3.3 V单电源
• 20引脚、宽体SOIC封装，爬电距离为8.3 mm
• 工作温度：-40°C至+85°C
• 安全和法规认证
  • UL认证
    – 1分钟5000 V rms，符合UL 1577
  • CSA元件验收通知5A
    – IEC 61010-1：300 V rms
  • VDE合格证书
    – DIN VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-12
    – VIORM = 846 V峰值

应用电路

框图

引脚配置描述

典型性能特征

工作原理

模拟输入

ADE7913 有三个模拟输入：一个电流通道和两个电压通道。ADE7912 不包含第二个电压通道。电流通道采用全差分电压输入引脚 IP 和 IM，其最大差分信号电平为 ±31.25 mV。电压输入引脚 VIP 和 V2P 处的最大差分 V_{IP} 信号电平也为 ±31.25 mV。IM 输入引脚允许的最大 V_{IM} 信号电平为 ±25 mV。

图 23 展示了电流通道的原理图以及 IM 引脚最大输入电压的关系。

需要注意的是，电流通道通过检测分流电阻两端的电压来感知电流（见图 22 ），因此，电流通道采用伪差分配置，类似于电压通道配置（见图 24 ）。

电压通道：VIP 和 V2P 这两个伪差分、单端电压输入引脚对 VM 具有 ±500 mV 的最大输入电压。VM 输入引脚处允许的最大信号电平为 ±25 mV。图 24 展示了电压通道输入及其与最大峰值电压的关系。

模数转换

ADE7912/ADE7913 有三个二阶 Σ - Δ 模数转换器（ADC）。为简单起见，图 25 中的框图展示了一阶 Σ - Δ ADC，该转换器由 Σ - Δ 调制器和数字低通滤波器组成，二者由数字隔离模块隔开。

Σ - Δ 调制器将输入信号转换为连续的串行流，其速率由采样时钟决定。在 ADE7912/ADE7913 中，采样时钟等于 CLKIN/4（当 CLKIN = 4.096 MHz 时，为 1.024 MHz ）。1 位 DAC（数模转换器）的输出在反馈环路中被驱动，用于抵消输入信号。如果环路增益足够大，DAC 输出的平均值（因此，位流）可以接近输入信号电平。对于单个采样间隔内的给定 ADC 值，1 位 ADC 的数据实际上可以忽略不计。只有对大量样本进行平均才能得到有意义的结果。这种平均是 ADC 数字低通滤波器的一部分，数据经过数字隔离器后，低通滤波器通过对大量位流进行平均，生成与输入信号电平成比例的 24 位数据字。

Σ - Δ 转换器采用两种技术，从本质上的 1 位转换技术实现高分辨率。第一种技术是过采样。过采样意味着信号以远高于感兴趣带宽的速率进行采样。例如，在 ADE7912/ADE7913 中，当 CLKIN = 4.096 MHz 时，采样速率为 1.024 MHz，感兴趣的带宽为 40 Hz 至 3.3 kHz。过采样的效果是将量化噪声（与采样相关的噪声）分散到更宽的带宽上。随着噪声在更宽的带宽上扩散，感兴趣带宽内的量化噪声会降低，如图 26 所示。

然而，仅靠过采样不足以改善感兴趣频段内的信噪比（SNR）。例如，需要过采样因子为 6（或 6 dB ）才能将信噪比提高到合理水平，此时可以将量化噪声整形，使大部分噪声位于更高的频率。噪声整形是第二种实现高分辨率的技术，在 Σ - Δ 调制器中，噪声由积分器整形，积分器具有高通特性，可对量化噪声进行整形。结果是大部分噪声位于更高的频率，可被数字低通滤波器去除。这种噪声整形如图 26 所示。