脱扣点:使用Δ-Σ模数转换器简化断路器设计

   在断路器应用中,置于微控制器(MCU)内部或外部的逐次逼近寄存器模数转换器(SAR ADC)更适合Δ-Σ模数转换器,原因是它们的启动时间更快。然而,Δ-Σ模数转换器为内部PGA(可编程增益放大器)提供了更高的动态范围和更高的分辨率,并消耗更低功耗。

  Δ-Σ模数转换器在启动期间具有〜100毫秒的启动时间,这限制了它们在断路器中的应用。具有更快启动时间的Δ-Σ模数转换器是解决之道。更高分辨率的Δ-Σ模数转换器减少了空气断路器(ACB)不同型号所用的硬件数量,并缩短了设计周期。

  空气断路器参考设计(TIDA-00661)的高分辨率快速启动模拟前端重点解决关键的断路器要求。您还可以在塑壳断路器(MCCB)的设计解决方案中使用部分或全部解决方案。

用于低电压应用的空气断路器

 

图1:高达6300A的SACE Emax 2空气断路器

 

  住宅、商业及工业配电系统采用带集成电子脱扣器(ETU)的空气断路器保护负载侧。

ACB中的ETU

ETU提供测量信息,也提供下列功能,如:

  • 快速启动 – 脱扣装置必须正常运行,并在<5ms时开始采样模拟输入。
  • 基于MCU的真有效值测量。
  • 电流(X 5)和电压(×3)测量。
  • 关合电流脱扣器。
  • 功率测量。
  • 自供电的前提是相电流为额定电流(In)或辅助电源(直流输入)的> 20%至25%。

关于ETU功能的详细说明,请参阅该参考设计库的设计指南第1.3.1节。

  ACB功能:关合电流脱扣器

  空气断路器防止配电系统/负载过载负荷、短路或接地故障。空气断路器的额定电流承载能力已做出规定;额定电流变化范围为200A至6,300A。在过载或短路情况下,断路器脱扣的吸动电流可以设置为10-15倍于额定电流,最高等级可达100kA。因为断路器承载大电流,它们必须防止闭合时出现故障。这种保护功能被称为关合电流脱扣器(MCR)。

  若合闸操作期间,电流超过短路或瞬时吸动电流设定值,在MCR功能会使得ACB脱扣。 若试图关闭高于额定接通容量的短路故障电流(50kA,63KA或100kA,取决于应用程序、型号),MCR也会使得ACB脱扣。

  取决于制造商,指定的断路时间为30到50ms之间。断路时间包括采样输入电流,并处理样本以向螺线管提供脱扣命令,这断开故障电流。这项规定限制了您的DC / DC转换器,MCU和ADC选择。

  参考设计特性

  该参考设计包含一个带模数转换器的AFE板和带MCU和电源的接口板。它也具有一个用于ETU的信号处理前端,与模数转换器一起使用。本设计使用一个高分辨率Δ-Σ模数转换器用于测量指定精度范围内的宽电流和电压输入;该模数转换器可以测量多达八个带24位分辨率的同步输入。带MSP430™MCU的ADC接口用于模拟输入处理。

该设计通过整流电流输入或辅助直流输入电源供电。它提供了两种基于功率要求的选择,以产生正负电源,一个使用LM5017,另一个使用在Fly-Buck™模式中配置的LM5160

设计特点包括:

  • 三个电压和五个电流输入接到带快速启动(<3毫秒)的八通道、同步采样、24位ADS131E08S Δ-Σ模数转换器。
  • 在±1%范围内,测定动态范围≤500的AC电流输入,具有固定PGA增益。
  • 在±1%范围内,测定10-900V的交流电压输入,具有固定PGA增益。
  • 在Fly-Buck转换器配置中的DC / DC转换器用来生成电源输出。
  • 子系统配置用于2W或8W功率输出。

  参考设计优势

  ADS131E08S基于Δ-Σ模数转换器参考设计满足了空气断路器的一些关键要求,如:

  • 快速启动:当电源出现故障时,空气断路器被指定在30-50ms范围内脱扣。时间包括系统加电、交流输入电流的测量和断开故障电流。
  • 宽输入测量:对于给定的电流断路器额定值,故障电流输入范围从0.3-15 In(额定电流)不等或以上。断路器有多种额定电流可用。高分辨率模数转换器确保将相同的ETU用于多个电流额定值或全部未更改硬件设备的电流额定值。类似地,相同的ETU可用于简化硬件设计和测试的多个电压等级。宽输入电压测量是通过可设置为2.4V或4V的高分辨率ADC,PGA和参考实现,从而提高了动态范围。
  • 电压和电流输入的精确测量:输入电流的精确测量确保可重复脱扣时间性能用于保护和精确测量计量的不同参数。精确测量通过高分辨率ADC、内部PG和内部基准实现。
  • 更高的可靠性和温度性能:参考和PGA集成减少了外部元件的需求,改进了温度性能,并提高可靠性。

表1列出了参考设计的各个子系统启动延迟。

 

子系统

TI产品

以毫秒为单位延迟

电源

LM5017LM5160 DC/DC转换器

≤0.65

ADC

在4KHz采样的ADS131E08S

≤2.30

带内部振荡器的MCU

MSP430FR5969 MCU

≤0.5

总启动延迟以测量±2%的模拟输入

≤3.5

表1:ACB ETU TI设计的启动延迟

 

  已测试该参考设计在宽泛的电流​​和电压输入范围的电压和电流精度性能。通过1个周期的测量实现±0.5%精度(每个周期80样本@ 4000样本用于50Hz输入)。请参阅参考设计的设计指南第8节内容。

  概述

  基于ADS131E08S基于Δ-Σ模数转换器的参考设计TIDA-00661使用Δ-Σ模数转换器解决了空气断路器的关键系统设计挑战,并提高了半个周期或一个周期测量的测量精度。它配备了设计指南、Altium的原理图和印刷电路板(PCB)文件、组装文件和物料清单(BOM)加快您的设计进程。

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