高性能电力线监测、继电保护系统设计指南

随着全球电网持续的发展，电力线监测、继电保护产品在不断地更新换代并改变着设计模式。作为全球领先的高性能信号处理解决方案供应商，ADI公司推出的系列高性能ADC一直引领该领域的技术发展路线：第一代电力继电保护产品均采用模拟开关，采用单通道16位ADC（如AD976 、AD574）进行设计；后来出现了使用16位的AD7656 和14位的AD7865配合模拟开关的第二代继电保护产品，AD7656和AD7865在当前很多电力继电保护产品中仍有非常成功的应用案例；随着技术的更新和产品工艺的改进，尤其是其±10V双极多通道同步输入等技术特点，使AD7656成为上一代电力继电保护的主流选择，目前该产品仍在大量的电力监测及保护设备中发挥重要作用。

随着电网智能化管理发展趋势，电力线监测及保护产品设计面临越来越多的挑战，多通道电流与电压监控系统的设计人员需要应对诸如双电源、有限的模拟输入范围、低模拟输入阻抗、以及采用昂贵的分立器件所造成的高成本等一系列复杂的设计挑战。作为电力二次设备制造商的关键方案提供商，ADI公司深刻理解全球电力设备企业的技术需求，在AD7656成功应用的经验基础之上，再次成功推出16位8通道同步采样AD7606系列，帮助客户更好地应对智能电网时代开发二次设备所面临的技术挑战。

图1：ADI公司高性能ADC产品发展路线图。

AD7606简化电力线监测系统设计

AD7606系列器件采用单5V供电，并支持真正的±10V和±5V双极性信号输入，每通道的采样率能达到200ksps。单芯片内集成多个通道可支持变电站自动化设备中三相电流、电压和零线的测量。同步采样功能允许保留相位信息，同时可以在较宽的动态范围内，对双极性电压和电流进行采样。

AD7606系列的所有8个通道都能实现最高200 kSPS的采样速率。它内置低噪声、高阻抗输入和信号调整放大器，可处理最高22 kHz的输入频率。AD7606的信噪比(SNR)高达90dB，选用片内数字滤波器可以进一步改善SNR性能、缩小误码、扩频并提高抗混叠抑制。转换过程与数据采集利用CONVST信号和内部振荡器进行控制。通过两个CONVST引脚，可以对所有八路模拟输入或者两组模拟输入通道(四路模拟输入构成一组）同时进行采样，以顾及变压器之间的相位差。

图2：AD7606进一步简化电路设计（上下图分别为采用AD7656和AD7606的电路示意图）。

AD7606内部的信号调理电路中已经包含了低噪声、高输入阻抗的信号调理电路，其等效输入阻抗完全独立于采样率且固定为1MΩ。同时，输入端集成了具有40 dB抗混叠抑制特性的滤波器，更是简化了前端设计，不再需要外部驱动和滤波电路。因此，二次互感器输出的信号无需再经过运放来缓冲就可以直接接入AD7606。AD7606内部集成了2.5V带隙电压基准和基准缓冲电路，设计应用中可根据系统要求选用内置基准或外部基准，在多片ADC的设计中，如果需求高绝对精度，则应采用高初始精度和低温度系数的外部基准，以消除不同器件内置基准之间的差异而带来的误差。推荐选用初始精度0.04%，温度系数3ppm/℃的ADR421B。如果需求多片ADC通道之间的数值匹配，可设置第一片AD7606工作在内置基准模式，其余AD7606为外部基准模式，然后通过第一片AD7606的内置基准输出供给其余AD7606。从而在不加外部基准的情况下即可保证多个AD7606通道间数据的匹配性。

图3：AD7606突出的性能优势让您的系统设计更简单。

而AD7606低至100mW的运行功耗和仅25mW的待机功耗保持了ADI公司在ADC低功耗技术上的优势，特别是当一块电路板上有若干多通道ADC时（某些系统需要一块电路板上有多达上百个ADC通道），功耗是一项重要考量因素，这种低功耗的特性是简化系统热设计、提高系统可靠性的关键因素之一。

AD7606系列共包含8通道、6通道和4通道三款同步采样ADC器件，针对需要多通道系统应用，设计者可以分别采用8+4、8+6通道的灵活设计组合，在利用到ADI新ADC系列产品的高性能的同时，确保方案的低成本（四通道和六通道的AD7606-4、AD7606-6分别比双8通道AD7606成本低19%及34%）。而且，这几款器件之间管脚兼容，相同的电路设计可以适用于多种不同通道数的系统配置。

电路设计建议

大多数电力线监测系统都会采用多个AD7606器件以实现多通道同步采样。为确保器件之间的性能良好匹配，这些器件必须采用对称布局。AV_CC电压平面沿两个器件的右侧布置，V_DRIVE电源走线沿两个AD7606器件的左侧布置。基准电压芯片ADR421位于两个AD7606器件之间，基准电压走线向上布置到U2的引脚42，向下布设到U1的引脚42。使用实心接地层。这些对称布局原则适用于含有两个以上AD7606器件的系统。AD7606器件可以沿南北方向放置，基准电压位于器件的中间，基准电压走线则沿南北方向。