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集成隔離式電源、用于太陽能光伏轉(zhuǎn)換器的完全隔離式電流檢測電路

發(fā)布時(shí)間：2020-08-12 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)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(qiáng)的魯棒性，可以安裝在檢測電阻附近，以實(shí)現(xiàn)精確的測量，最大程度地降低噪聲拾取。輸出為來自一個(gè)Σ-Δ調(diào)制器的單路16 MHz位流，由一個(gè)DSP通過一個(gè)sinc3 數(shù)字濾波器進(jìn)行處理。

圖1. 隔離式電流檢測電路(簡化原理圖：未顯示所有連接和去耦)

該電路是太陽能光伏(PV)轉(zhuǎn)換器交流電流監(jiān)測的理想選擇，在這種應(yīng)用中，峰值交流電壓可能高達(dá)數(shù)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，通過一個(gè)雙通道AD8639低失調(diào)放大器來測量最高±25 A的峰值電流。放大器的增益設(shè)為10，以發(fā)揮AD7401AΣ-Δ調(diào)制器的滿量程范圍優(yōu)勢。對(duì)于較高的電流，可以通過相應(yīng)降低AD8639的增益來測量(最高±50 A或±100 A)，以確保發(fā)揮出AD7401A滿量程輸入范圍的最大優(yōu)勢。

通過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(dāng)傳統(tǒng)三運(yùn)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(diào)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(yīng)用。整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)幾乎為零的漂移特性可以給太陽能面板應(yīng)用帶來極大的好處。許多系統(tǒng)都可以利用AD8639提供的軌到軌輸出擺幅來使信噪比(SNR)達(dá)到最大。

在電流測量電流周圍采用一個(gè)保護(hù)環(huán)，以防止任何漏電流進(jìn)入這個(gè)敏感的低電壓區(qū)域。BAT54肖特基二極管可以保護(hù)AD8639的輸入，使其不受瞬態(tài)過壓和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(diào)制器需要一個(gè)來自外部源的時(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(diào)制器極其強(qiáng)大的單位流輸出可以直接由sinc3濾波器處理，其中，可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)ADC字。

交流和直流信息都可以用AD740x器件來分析，因此，不但可以監(jiān)控交流性能，而且還可以監(jiān)控系統(tǒng)中可能存在的任何直流注入。在太陽能應(yīng)用中，直流注入至關(guān)重要，因?yàn)槿绻^多的直流電流注入電網(wǎng)，結(jié)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(nèi)。

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(tǒng)中的另一塊電路板上。這樣，通過最大程度地降低EMI/RFI效應(yīng)，結(jié)果可以提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。安全性通過20 µm聚酰亞胺薄膜隔離柵來實(shí)現(xiàn)。更多有關(guān)這些內(nèi)容的信息以及各種認(rèn)證可在相關(guān)數(shù)據(jù)手冊中找到。AD7401A工作電壓高達(dá)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(xù)工作電壓¹

¹指隔離柵上的連續(xù)電壓幅度。詳情請(qǐng)參見AD7401A數(shù)據(jù)手冊。

電源配置

ADuM6000是一款5 V隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，通過一個(gè)內(nèi)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(yùn)算放大器電源被調(diào)節(jié)至±2.5 V，以實(shí)現(xiàn)更好的噪聲性能。+2.5 V由低噪聲ADP121低壓差穩(wěn)壓器提供，后者由+5 V隔離電源驅(qū)動(dòng)。

ADM8829開關(guān)電容電壓逆變器由+5 V隔離電源驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生−5 V輸出電壓，后者由ADP7182負(fù)線性穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)至−2.5 V。

原理

AD7401A是一款二階Σ-Δ調(diào)制器，片上的數(shù)字隔離采用ADI公司的iCoupler®技術(shù)，能將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速1位數(shù)據(jù)流。模擬調(diào)制器對(duì)模擬輸入信號(hào)連續(xù)采樣，因而無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(hào)(滿量程±320 m)。輸入信息以數(shù)據(jù)流密度的形式包含在輸出數(shù)據(jù)流內(nèi)，該數(shù)據(jù)流的最高數(shù)據(jù)速率可到20 MHz。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器重構(gòu)原始信息。處理器側(cè)(非隔離)可采用5 V或3 V電源(VDD2)。

太陽能應(yīng)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(xiàn)此類應(yīng)用的眾多產(chǎn)品之一。這類隔離基于iCoupler® 技術(shù)。

電流互感器是一種替代隔離方法，稱為電流隔離。

本文介紹采用AD7401A和ADuM6000器件，并由ADI公司設(shè)計(jì)的電流測量模塊的典型性能。

太陽能光伏(PV)逆變器系統(tǒng)應(yīng)用

太陽能光伏逆變器轉(zhuǎn)換來自太陽能面板的電能并高效地將其輸送到公用電網(wǎng)中。來自太陽能面板的電能基本上屬于直流源，它會(huì)被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換可以采用單級(jí)，也可以采用多級(jí)，如圖2所示。第一級(jí)通常為DC-DC轉(zhuǎn)換，其中太陽能面板的低電壓與高電流輸出轉(zhuǎn)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(jí)通常將直流電壓和電流轉(zhuǎn)換為交流電壓和電流，一般使用H-電橋電路。(見ADI文章“借助隔離技術(shù)將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)整合于智能電網(wǎng)”)。

圖2. 太陽能光伏逆變器系統(tǒng)

以前的太陽能光伏逆變器只是將電能轉(zhuǎn)儲(chǔ)到公用電網(wǎng)的模塊。面向新設(shè)計(jì)的太陽能逆變器側(cè)重于安全性、電網(wǎng)整合和成本的降低。為此，太陽能光伏逆變器設(shè)計(jì)人員正在考慮采用現(xiàn)有太陽能逆變器模塊中未使用的新技術(shù)來改善性能，并盡可能降低成本。

在該電路中，DSP控制著DC-DC轉(zhuǎn)換器和DC-AC轉(zhuǎn)換器。公用電網(wǎng)一般通過繼電器連接。交流電流測量由AD7401A實(shí)現(xiàn)，該器件測量輸出到電網(wǎng)的電流，通常為25A。

太陽能光伏逆變器系統(tǒng)的輸出端可能有隔離變壓器，也可能沒有(出于節(jié)省成本的考慮)，但是，如果沒有變壓器，則太陽能光伏逆變器必須測量輸出電流的直流分量。該電流稱為直流注入，其值對(duì)電路的運(yùn)行至關(guān)重要。過多直流注入到電網(wǎng)，結(jié)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(nèi)。在該應(yīng)用中，這兩個(gè)任務(wù)都能夠完成，由此可以實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)省，因?yàn)橹T如霍爾效應(yīng)電流傳感器一類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(diào)性能

電流測量模塊中AD7401A的失調(diào)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)(最高為125°C)進(jìn)行測量。結(jié)果如圖3所示，符合AD7401A數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)格。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，在分流電阻中無電流流過的情況下，測得的最大失調(diào)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(diào)

線性度性能

分析了模塊在最高±28A的電流條件下的線性度。如圖4所示，校準(zhǔn)后可以實(shí)現(xiàn)低于±0.2%的線性度。分析中采用了上一節(jié)規(guī)定的電壓。圖4同時(shí)展示了滿量程誤差和絕對(duì)誤差分析，定義如下：

滿量程誤差= (V分流 – V計(jì)算) / V滿量程

絕對(duì)誤差 = ( V分流 – V計(jì)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(jì)算 = 來自ADC輸出的計(jì)算所得電流(AD7401A)

V滿量程 = 模塊的滿量程電流范圍(28 A)。

使用絕對(duì)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(xiàn)較為突出。對(duì)于太陽能應(yīng)用來說，這是十分重要的，因?yàn)榭梢栽诘碗娏鞣秶袦y量直流注入。

圖4. AD7401A線性度性能

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(dāng)DR = 256時(shí)，sinc3濾波器的響應(yīng)如圖5所示，其中，輸出數(shù)據(jù)速率為62.5 kHz，F(xiàn)FT噪底如圖6所示。

圖5. Sinc3濾波器的響應(yīng)(抽取速率= 256，輸出數(shù)據(jù)速率= 62.5 kHz)

圖6. 16K點(diǎn)FFT所示噪底(抽取速率= 256，輸出數(shù)據(jù)速率= 62.5 kHz)

對(duì)于較高的抽取速率，sinc3濾波器響應(yīng)大幅改善。當(dāng)DR =1024時(shí)，sinc3濾波器的響應(yīng)如圖7所示，其中，數(shù)據(jù)速率為15.6 kHz。這時(shí)，系統(tǒng)的噪聲性能有所改善，如圖8所示，只是數(shù)據(jù)速率降低了。

圖7. Sinc3濾波器的響應(yīng)(抽取速率= 1024，輸出數(shù)據(jù)速率= 15.6 kHz)

圖8. 16K點(diǎn)FFT所示噪底(抽取速率= 1024，輸出數(shù)據(jù)速率= 15.6 kHz)

布局考量

設(shè)計(jì)印刷電路板(PCB)布局時(shí)應(yīng)特別小心，必須符合相關(guān)輻射標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)電路板布局建議，請(qǐng)參閱AN-0971應(yīng)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。這一簡單的重疊可以大幅降低系統(tǒng)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。