多通道多路复用器件监测电力线监控精度

准确的电力线监控已成为一项关键要求，不仅要集中在电网本身，还应放在电网边缘。对于并网能量收集发电系统甚至终端设备，持续的电能质量特性分析有助于确保电网和附属系统的健康。作为电源监控系统的核心，模数转换器（ADC）在测量适合每种应用的精度水平的线电压和电流方面发挥着关键作用。工程师可以满足一系列要求 - 从公用事业级系统获得收益所需的精度到用于检测线路故障的基本功率监视器 - 使用高性能ADC和制造商的相关组件，包括ADI公司，Copal Electronics，Intersil，Linear Technology， Maxim Integrated，Microchip Technology，ON Semiconductor，Pulse Electronics和Texas Instruments。

在最基本的层面上，电力监控系统依靠使用电流互感器（CT）和电压互感器（称为PT，用于电压互感器）输出的瞬时电流和电压进行测量，这些输出由高速ADC转换（图1）。反过来，处理器使用瞬时电流和电压测量来计算关键特性，包括有功功率，无功功率，视在功率和功率因数 - 甚至更复杂的计算，如谐波，这可能导致设备损坏。

图1：典型的电源监控系统采用高速模数转换器（ADC）提供高电流，对线电流和电压进行采样分辨率数据到主处理器以计算功率参数。 （德州仪器公司提供）

执行这些功率计算主要取决于精确测量的电压和电流。北美的ANSI C12.20和IEC 62053等标准规定了0.2级的特定精度等级，要求精度为±0.2％。在实践中，功率测量系统通常设计为超过标准精度规范 - 依靠高采样率和高分辨率转换器来捕获高速瞬变并确保可靠地计算更复杂的特性，例如多次谐波。

同时，这些功率特性的测量需要对所有三相和中性点的电压和电流进行严格同步的高分辨率测量。同步采样可以非常精确地测量每条线路上的电压和电流之间的相角。电压和电流测量之间的不良同步会引入伪像，降低总体精度，并显着损害更复杂的功率计算。

同步采样

为降低高精度多通道测量的复杂性，设计人员可以选择高度集成的器件，将高分辨率ADC与模拟前端（AFE）相结合，优化设计阻抗匹配，信号动态范围，偏移和其他可能侵蚀数据转换性能和准确性的因素。制造商通常围绕逐次逼近寄存器（SAR）转换器构建这些高性能同步采样ADC。 SAR ADC具有高精度，没有与delta-sigma ADC中使用的过采样相关的周期延迟，从而实现高稳定性和转换分辨率。

对于要求最苛刻的应用，半导体制造商为每个通道集成了复杂的AFE和专用SAR ADC。对于高精度功率监测，Maxim Integrated MAX11046和Texas Instruments ADS8568等八通道ADC允许同时采样所有三相和中性点（图2）。通过为每个通道提供专用的AFE和ADC，这些器件能够实现非常高的数据速率 - MAX11046每通道250 ksps，ADS8568（并行输出接口）510 ksps。

图2：对于三相电源监控，同步采样ADC为高精度功率计算所需的八个通道中的每一个提供单独的AFE和ADC。 （由Maxim Integrated提供）

对于某些应用，设计人员可以简单地将CT和PT的无缓冲输出直接连接到ADC的输入，包括Maxim Integrated MAX11046和TI ADS8568，如图2所示。由于MAX11046提供高输入输入阻抗和自保护输入钳位，因此支持这种简单配置。然而，为了实现最大吞吐量，ADC通常需要在传感器和ADC之间使用运算放大器驱动器。实际上，Maxim Integrated和Texas Instruments的评估板都包含此类驱动器。 Maxim Integrated的MAXREFDES30评估板采用MAX441046，内置MAX44252运算放大器驱动器。在用于ADS8568的TI ADS8688EVM-PDK评估板上，德州仪器（TI）包括其OPA2209运算放大器驱动器。

不太严格的要求

对于精度要求不太严格的电源监控应用，设计人员可以转向性能属性较为适中的设备。仅需要检测电力线故障的功率监视器中的较简单要求可以利用较低分辨率的ADC。德州仪器（TI）LMP92064电流/电压监测IC采用这种方法提供单线电源监控IC，几乎不需要额外的元件（图3）。该器件集成了一个精密电流检测放大器，用于测量分流电阻和缓冲电压通道上的负载电流，以测量负载的电压。然而，独立的125 ks，12位ADC同时采样电流和电压通道的能力支持精确的功率计算。

图3：德州仪器（TI）LMP92064等功率监视器IC使用一对12位ADC来支持精度要求不高的应用的功率计算。 （德州仪器公司提供）

对于更简单的监控要求，设计人员通常可以使用带有外部多路复用器的单个ADC来监控每条线路上的电压和电流。实际上，Intersil DG408，Maxim Integrated MAX4581和ON Semiconductor MC74HC4051A等8：1多路复用器可以支持需要更多基本功率监控的三相应用。

设计人员可以找到具有集成多路复用器的ADC，旨在支持广泛的通道，数据吞吐量和转换分辨率。对于三相电源监控，ADI公司AD7699，凌力尔特公司LTC2372和德州仪器ADS8688等器件集成了一个8通道多路复用器，ADC和每个通道的专用模拟前端。例如，TI ADS8688的每个输入通道都包括过压保护，可编程增益放大器（PGA），低通滤波器以及将共用多路复用器馈送到单个ADC的驱动器。

结论

确保电网电能质量要求对每相的电压和电流进行高精度测量。对于并网能量收集系统和设备，功率监控同样需要使用ADC为线路电压和电流提供高分辨率同步采样，为每个通道提供专用转换器。虽然基本故障监控基于与高精度测量应用相同的原理，但设计人员可以使用低分辨率ADC或多路复用器件，以较低的吞吐率提供高分辨率多通道测量。设计人员可以找到现成的ADC，以满足广泛的通道支持，位分辨率和采样率要求。