AD7656的原理及在繼電保護產(chǎn)品中的應(yīng)用

1 AD7656的性能簡介

    AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC,它具有最大4 LSBS INL和每通道達(dá)250kSPS的采樣率,并且在片內(nèi)包含一個2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。該器件僅有典型值160mW的功耗,比最接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低了60％。

    AD7656包含一個低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T／H),以便處理輸入頻率高達(dá)8MHz的信號。該AD7656還具有高速并行和串行接口,可以與微處理器(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)連接。AD7656在串行接口方式下,能提供一個菊花鏈連接方式,以便把多個ADC連接到一個串行接口上。

    AD7656采用具有ADI專利技術(shù)的iCMOS(工業(yè)CMOS)工藝。iCMOS 工藝是一種高壓半導(dǎo)體工藝與亞微米CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)和互補雙極型工藝相結(jié)合的制造上藝。它能開發(fā)出承受30V電源電壓的多種高性能模擬IC,并且其小封裝尺寸是任何其他同類高電壓IC都未曾達(dá)到的。與使用傳統(tǒng)CMOS工藝的模擬IC不同,iCMOS器件能承受高電源電壓,同時提高性能、顯著降低功耗和縮小封裝尺寸。AD7656是使用該種工藝設(shè)計制造的產(chǎn)品,所以非常適合在繼電保護、電機控制等工業(yè)領(lǐng)域使用。圖1是AD7656的內(nèi)部原理框圖。

    2 AD7656的工作原理

    AD7656足具有獨立的六通道逐次逼近型(SAR)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換處理和數(shù)據(jù)的精度是通過CONVST信號和一個內(nèi)部晶振控制的。3個CONVST管腳允許3路ADC對獨立同步采樣。當(dāng)3個CONVST管腳連接到一起時,就可以進(jìn)行6個通道的同步采樣。 AD7656具有高速的并行和串行接口,允許其與Microprocessors和DSP進(jìn)行接口。當(dāng)使用串行接口模式時,AD7656具有的菊花鏈特性允許多個ADC和一個串行接口連接。由于在電力繼電保護產(chǎn)品中以并行接口連接設(shè)計為主,所以下面將以并行接口的連接方式介紹其工作原理。

    圖2是AD7656在并行接口方式下的工作時序圖。首先,通過MCU或DSP控制CONVST管腳啟動轉(zhuǎn)換,并保持該信號為高電平。AD7656啟動轉(zhuǎn)換信號后會自動輸出BUSY信號,BUSY信號下降沿時,代表轉(zhuǎn)換已經(jīng)全部完成。此時,AD7656內(nèi)部的6個寄存器中已經(jīng)保存了轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),然后通過控制片選CS和讀RD信號依次順序讀出6個通道AD轉(zhuǎn)換值。 讀出AD轉(zhuǎn)換值后,改變CONVST為低電平信號。注意在設(shè)計時,一定要保證AD轉(zhuǎn)換過程中CONVST管腳保持高電平。

    3 AD7656在電力繼電保護產(chǎn)品中的應(yīng)用

    當(dāng)前,繼電保護產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設(shè)計模式。最初由于工藝和芯片等各方面因素的影響,第一代電力繼電保護產(chǎn)品均采用模擬開關(guān),配合單通道16bit的ADC設(shè)計,例如AD976,AD574等AD轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品;后來出現(xiàn)了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模擬開關(guān)的第二代繼電保護產(chǎn)品,AD7665和AD7865在當(dāng)前很多電力繼電保護產(chǎn)品中仍有非常成功的應(yīng)用案例;隨著技術(shù)的更新和產(chǎn)品工藝的改進(jìn),尤其是其±10V雙極多通道同步輸入等技術(shù)特點,使AD7656有望成為電力繼電保護的新一代產(chǎn)品。

    3.1 AD7656前端模擬電路設(shè)計

    AD7656可以支持輸入±10V雙極信號,按照經(jīng)典的設(shè)計理論,需要對前端信號進(jìn)行抗混疊濾波。為了滿足16bit精度的要求,前端要選用高精度并且可以處理±10V雙極信號的運算放大器作信號處理和濾波。

    3.2 AD7656電源設(shè)計

    3.2.1 VDD和VSS

    在AD7656的設(shè)計中,VDD和VSS主要作為采樣保持開關(guān)工作的電源,圖3是VDD和VSS工作的原理框圖。一般設(shè)計時,需要保證大于VINx模擬輸入端的輸入電壓范圍,才能保證AD可靠工作。表1是AD7656在不同條件下需要的最小值。

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    實際設(shè)計中,可以采用幾種方式得到VDD和VSS。一種方式是采用開關(guān)電源的方式來設(shè)計產(chǎn)生VDD和VSS;另一種是采用電荷泵的方式提供VDD和VSS;還有一種方式是使用DC-DC模塊來提供VDD和VSS。由于AD7656對于VDD的紋波比較敏感,會直接影響采樣得到的精度,所以,無論應(yīng)用那種方式提供VDD和VSS,均要考慮較好的濾波系統(tǒng)。圖4是一種采用美國ADI公司生產(chǎn)的ADP1611提供VDD和VSS的DC-DC方案設(shè)計。‘

    3.2.2 AVCC(AGND)和DVCC(DGND)

    AVCC和DVCC是AD7656的模擬電壓輸入端和數(shù)字電壓輸入端。AD7656作為6通道獨立的同步采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,在轉(zhuǎn)換過程中需要足夠的電能量,所以對于AVcc的去耦在設(shè)計中就顯得十分重要,后面將有具體描述。在實際電路設(shè)計中,可以單獨提供±15V(或是±12V)電壓給VDD和VSS電壓輸入端,同時提供+5V給AVCC模擬電壓端,通過濾波器(小電阻或磁珠)把AVCC連接到DVCC,然后再通過濾波器供給CPU系統(tǒng)+5V電源;或在提供±15V采樣電壓時,將+15V電壓使用DC／DC得到+5V電壓,供給AVCC和DVCC輸入端使用,而CPU系統(tǒng)則采用單獨的+5V電源。

    在AVcCCDVCC的連接設(shè)計上,由于DVCC會引來一些數(shù)字噪聲給AVCC,影響AD7656的采樣性能。所以在AVCC和DVCC之間需要放置一個兒歐姆的小電阻或是一個小磁珠。加入小電阻或是磁珠后,在DVCC產(chǎn)生噪聲的頻點上,小電阻或是磁珠可以看成是高阻狀態(tài),能夠使正常的信號通過并濾除噪聲。

    3.3 AD7656基準(zhǔn)設(shè)計

    AD7656具有10ppm的內(nèi)部基準(zhǔn),對于一般的單芯片可以滿足設(shè)計需要。但是在多芯片產(chǎn)品設(shè)計中,由于不同芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)提供的初始精度不同,所以溫度系數(shù)也會不同,為了得到更高的性能和可靠性,需要一個穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)。ADR421具有2.5V輸入、lppm／℃的溫度系數(shù)、初始精度可以達(dá)到0.04％,是一款在電力繼電保護系統(tǒng)中成功應(yīng)用的電壓基準(zhǔn)芯片。ADI最新推出了同ADR421管腳完傘兼容的ADR441產(chǎn)品,其具有1ppm／℃的溫度系數(shù),0.04％的初始精度,而且僅僅1.21μV的p-p噪聲性能,也是十分適合電力繼電保護產(chǎn)品應(yīng)用的電壓基準(zhǔn)芯片。

    3.4 AD7656的接地設(shè)計

    3.4.1 單片AD7656接地方式

    AD7656在單芯片設(shè)計時,接地需要采用系統(tǒng)單點接地方式。AD7656的AGND和DGND分別作為模擬電路和數(shù)字電路的平面地來處理。在AD7656的芯片下面進(jìn)行接地處理。此時,AVCC和DVCC的電源采用不同的電源電路設(shè)計,如圖5所示。 

    3.4.2 多片AD7656接地方式

    對于繼電保護產(chǎn)品需要采用多片AD7656使用的系統(tǒng),其接地方式和單片系統(tǒng)有很大差別。多片系統(tǒng)設(shè)計上把AD7656的AGND和DGND作為統(tǒng)一的模擬地平面處理,而把同AD7656接口的CPU處理器的電源地作為數(shù)字地平面處理,采用系統(tǒng)單點接地方式時,需要在同多片AD7656距離接近的地方作為接地點。同時應(yīng)注意,ACND和DGND是單獨通過各自的過孔連接到模擬地平面的,如圖6所示。

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    3.5 AD7656系統(tǒng)的電容設(shè)計

    AD7656在轉(zhuǎn)換過程中,對于電容的要求比較嚴(yán)格,主要原因是模數(shù)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中需要足夠的電能量保證其完整正確地把模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。由于AD7656有6個獨立通道的ADC,所以6個通道同步轉(zhuǎn)換的過程中,需要較多的瞬態(tài)電流從AVCC流入AD,因此需要較多的能量保證AVCC的電源電壓的供給,所以在設(shè)計上需要配置足夠的電容。不恰當(dāng)?shù)碾娙菰O(shè)計和電路板設(shè)計會對電路的整體性能造成很大的影響。通過實際的測試和試驗,推薦以下幾種設(shè)計方案。

    3.5.1 方案一

    圖7是推薦的可以得到最好性能的電容設(shè)計。主要的設(shè)計要求包括：

    (1) VDD,VSS,Vdrive,DVCC,REFCAPA,REFCAPB,REFCAPC,REFIN／OUT管腳都需要一個100nF和10μF的去耦電容;

    (2) 每個AVCC管腳需要配置一個100nF和一個10μF的去耦電容;

    (3) 在AVCC的板級輸人端加入一個推薦為22μF以上的去耦電容;

    (4) 設(shè)計單獨的AVCC電源平面。

    3.5.2 方案二

    通過一些試驗證明,方案一對于設(shè)計電路板的排布是一個十分艱巨的任務(wù),為了減少對于板級面積的壓力,設(shè)計了方案二。其基本可以達(dá)到方案一的效果,電路與方案一類似,設(shè)計差別為：

    (1) 每個AVCC管腳需要配置一個10μF的去耦電容;

    (2) 每個AVCC管腳需要單獨通過過孔連接到AVCC電源平面。

    3.5.3 方案三

    方案三是更加簡潔的設(shè)計方案,是在方案一基礎(chǔ)上建立的,具體差別為：

    (1) 把6個ADC的AVCC電源管腳分成3組,每組放置一個100μF的去耦電容;

    (2) 不需要較大的去耦電容放置在板級AVCC輸入端。  

    3.6 其他設(shè)計注意事項

    3.6.1 復(fù)位問題

    用AD7656進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的時候,要注意到一點：無論采取硬件模式或軟件模式,在AD7656上電后必須對其進(jìn)行復(fù)位,復(fù)位脈沖一般在100ns以上。

    3.6.2 Vdrive連接問題

    Vdrive管腳主要用于控制總線上的電壓信號,一般與所用I／O總線的電壓一致,所以可以提供3.3V或是5V。

    3.6.3 總線緩沖問題

    在設(shè)計中建議加入一級緩沖,主要為了防止由于數(shù)字噪聲耦合到電源對A／D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響,推薦設(shè)計使用ADI公司的ADG3308。ADG3308是一款A(yù)DI公司最新推出的用于總線電平轉(zhuǎn)換和隔離的芯片,能在1.2V～5.5V的電源系統(tǒng)中以40Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。與其他解決方案不同,ADG3308不需要用DIR引腳選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?它接受該器件中每一個具體通道執(zhí)行的自動檢測,從而允許同時讀和寫信號,設(shè)計上簡單方便。

    總之,AD7656作為6通道、同步采樣的16bit AD轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品,是專為針對電力繼電保護和電機控制設(shè)計量身定做的一款產(chǎn)品,同時也適用于電力故障錄波、負(fù)控終端等產(chǎn)品的設(shè)計和應(yīng)用。