断路器应用中,安装在微控制器(MCU)内部或外部的连续渐进式模拟数字转换器(SAR ADC),由于启动速更快,因此比∑-Δ ADC更受欢迎。然而,∑-Δ ADC具有更高的动态范围、更高的分辨率、内置PGA(可编程增益放大器),且功耗更低。

  ∑-Δ ADC上电时的启动时间约为100ms,这限制了其在断路器内的应用。解决方法就是使用具有更快启动速度的∑-Δ ADC。使用更高分辨率的∑-Δ ADC能够减少针对不同型号的空气断路器(ACB)所使用的硬件数量,并缩短设计周期。

  用于空气断路器的高分辨率、快速启动模拟前端参考设计(TIDA-00661)聚焦于解决关键的断路器要求。您也可以在塑壳断路器(MCCB)设计中部分或全部使用该解决方案。

  用于低压应用的空气断路器

 

图 1:电流高达6300A的SACE Emax 2空气断路器

 

  住宅、商业和工业配电系统使用带电子跳闸单元(ETU)的空气断路器用于负载端保护。

空气断路器中的电子跳闸单元

电子跳闸单元既能够提供测量信息也能够提供以下功能:

  • 快速启动——跳闸单元必须在<5ms内运行并开始模拟输入采样。
  • 基于MCU的真有效值测量。
  • 电流(X 5)和电压(X 3)测量。
  • 关合电流脱扣器。
  • 功率测量。
  • 当相电流超过额定电流(In) 20% - 25%时采用自供电或辅助供电(直流输入)模式。

关于电子跳闸单元功能的更多介绍,请参见参考设计设计指南的第1.3.1部分。

空气断路器的功能:关合电流脱扣器

  空气断路器能够防止配电系统/负载出现过载、短路或接地故障,根据其额定载流量进行选择使用;其额定流量为200A - 6300A。断路器在过载或短路时的跳闸始动电流可以设置为额定电流的10-15倍,最多为100kA。由于断路器携带着大量电流,因此,必须防止其误合闸。该保护功能被称为关合电流脱扣器(MCR)。

  如果在关合操作中,电流超过短路或瞬时始动电流设置,空气断路器便会在MCR功能的作用下跳闸。如果当短路故障电流超过额定关合电流时(50kA、63kA或100kA,具体视应用、品牌和型号而定)仍试图关合电路,空气断路器也会在MCR功能的作用下跳闸。

规定的断路时间为30-50ms,不同制造商可能有所差异。断路时间包括对输入电流进行采样和处理采样,为负责断开故障电流的螺线管提供跳闸指令。该要求会限制您的直流/直流转换器、MCU和ADC选项。

参考设计特性

  参考设计包含带ADC的模拟前端板以及带MCU和电源的接口板,此外,还有用于空气断路器的电子跳闸单元信号处理前端。该设计采用了高分辨率∑-Δ ADC用于测量指定精度范围内的宽电流和电压输入;ADC可以测量多达八个24位分辨率的同步输入。ADC能够连接MSP430™ MCU进行模拟输入处理。

该设计采用整流电流输入或辅助直流输入电源。其根据功率要求提供两个正负供电选项,一个使用LM5017,另一个使用LM5160,采用Fly-Buck™模式配置。

设计特性包括:

  • 三个电压输入端和五个电流输入端连接至一个八通道、同步采样的24位ADS131E08S快速启动(<3ms)∑-Δ ADC。
  • 测量动态范围≤500交流电流输入、精度±1%、固定PGA增益。
  • 测量10-900V交流电压输入、精度±1%、固定PGA增益。
  • 反激式转换器配置直流/直流转换器用来产生电源输出。
  • 子系统可配置2W或8W功率输出。

参考设计的优势

  该参考设计基于ADS131E08S ∑-Δ ADC,实现了空气断路器的一些重要要求,如:

  • 快速启动:规定出现电流故障时空气断路器在30-50ms内跳闸,该时间包括系统上电、交流电输入电流测量和断开故障电流所用时间。
  • 宽范围输入测量:对于给定的电流断路器额定值,故障电流输入范围为0.3-15 In(额定电流)或更大。断路器有多个电流额定值可选。高分辨率ADC确保了可以无需更换硬件,同一电子跳闸单元用于多个或全部电流额定值。同样地,同一电子跳闸单元用于多个电压额定值,简化硬件设计和测试。通过可设置为2.4V或4V的高分辨率ADC、PGA和基准提升动态范围,实现宽范围输入测量。
  • 精确测量电压和电流输入:精确的输入电流测量确保了可重复的跳闸时间保护性能以及精确测量不同计量参数。通过高分辨率ADC、内置PGA和内部基准实现精确测量。
  • 提升可靠性和温度性能:集成的基准和PGA降低了对外部组件的要求、提升了温度性能及可靠性。

表1列出了参考设计不同子系统的启动延时情况。

 

子系统

TI产品

延时(毫秒)

电源

MC5017或LM5160直流/直流转换器

≤0.65

ADC

ADS131E08S,4KHz条件下进行采样

≤2.30

MCU,带内置振荡器

MSP430FR5969 MCU

≤0.5

测量±2%模拟输入的总启动延时

≤3.5

表1:空气断路器电子跳闸单元启动延时TI设计

 

  该参考设计通过了对宽量程电流和电压输入进行的电压和电流精度性能测量。每个测量周期达到了±0.5%的精确度(80个样品@ 4000个样品/周期,50Hz输入)见参考设计设计指南的第8部分。

总结

  参考设计TIDA-00661基于ADS131E08S∑-Δ ADC ,使用∑-Δ ADC解决了空气断路器的关键系统设计挑战,并提升了半个或一个测量周期的测量精度。其配有设计指南、Altium原理图和印刷电路板(PCB)文件、程序集文件和材料清单(BOM),便于加快您的设计进程。

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