簡介
隨著現今工業市場用電量逐漸增加，電源系統的監控也因此需要不斷改良。對於節能及整體電源運用而言，適當管理及配送電源至關重要。對於進行決策以及確實防護輸電網路與終端使用者而言，正確且即時的測量實為箇中關鍵。
圖1顯示必須測量三相電流的典型高壓電源傳輸系統。產生的極高電壓必須予以隔離及減弱，才能符合低電壓測量及相對應控制系統的輸入功能。電源變壓器是第一層高電壓隔離，例如，發電廠傳輸的220kV會轉換成低電壓的 220V。由於這個電壓對於目前的類比數位轉換器(ADC)而言還是過高，因此需要進一步三相式的隔離。接著是將220V轉換為±10V訊號，以提供必要的控制及防護電路系統功能。對於負載電流測量，也需要相同的隔離、測量、控制及防護；這些動作可搭配高電壓電源變壓器使用，以進一步降低電壓。
雖然輸入頻率相對較低，但是各測量的時間仍極為重要。此一配置需要在多個通道同時進行測量。本文後續將說明多種可在這些測量中正確啟用訊號調節及資料轉換的方法。
圖1. 典型高電壓三相電源傳輸系統
使用高電壓元件進行測量
電壓及電流測量的其中一項常用解決方案需要使用高電壓元件。經過濾波後，來自於電壓或電流變壓器會由運算放大器(運算放大器)緩衝處理。這需要變壓器與運算放大器之間的電阻電容電路(RC)濾波器，才能限制電壓突增及輸入電流。
變壓器產生的電壓突增是以R1及C1進行過濾。輸入電阻R1也可協助限制暫態期間的輸入電流，並保護運算放大器的高阻抗、非反向輸入接腳。R2及C2的額外過濾可針對運算放大器提供暫態隔離，以避免通常與電流連續近似暫存器(SAR)架構ADC有關的電荷注入。藉由此一方法，可將變壓器的輸出電壓(一般為20Vpp或±10Vpp)緩衝處理，並傳輸到ADC輸入。
然而，這個簡易的電路有幾項潛在問題。首先且最重要的一點是，這個電路需要三個電源供應才能正常運作：運算放大器及ADC的類比部分各需要±12V，處理器的介面則需要5V。這三個電源供應必須專用於電路系統的類比測量部分，而且不可引用自數位處理或繼電器所用任何雜訊過多的輔助供電。同時，這些需求使得配置更為複雜，需要使用昂貴的多層印刷電路板(PCB)設計。第二個問題是元件供應方面的限制，目前只有幾家製造商提供可接受±10V輸入電壓的ADC。
使用低電壓元件進行測量
另一個解決方案是使用低電壓元件。在這個特殊個案中，我們是採用符合成本效益的單一電源供應5V元件進行類比測量。圖3顯示使用這些低成本的低電壓元件進行的建議解決方案。來自於隔離變壓器的±10V訊號是直接連接至差動放大器(例如德州儀器的INA159)的輸入，100kΩ電阻的高輸入阻抗及±30V 的最大輸入電壓使得這個連接方式得以實現。其中的內部電已阻調整為最佳線性及共模抑制比(CMRR)。
輸出訊號會經過位準移位而調整為介於0.5V至4.5V之間，然後直接傳輸至ADC(例如德州儀器的ADS8365)。這個全新的低功耗16位元6通道同時取樣 SAR轉換器含有6個ADC的取樣保持電路，適用於需要測量三相電壓及三相電流的電源測量應用。
使用ΔΣ轉換器進行測量
第三個解決方案是使用ΔΣ ADC轉換輸入訊號。對於此類型的應用，使用ΔΣ ADC 轉換器的其中一項主要優點是使用數位濾波器。數位濾波器不僅過濾轉換器的量化雜訊，也引導此類型的應用中出現的嚴重雜訊，使嚴重雜訊不干擾所需的訊號頻帶。在此類型的應用中，也可以測量中性線的電壓及電流。如 TI的ADS1204之類的ΔΣ轉換器具有4個16位元效能的獨立ΔΣ調變器。使用2個ADS1204轉換器，即可同時從8個輸入通道取得測量資料。
圖4顯示4通道解決方案。來自於變壓器的輸入訊號經過INA159減弱及位準移位。ADS1204將此訊號數位化，並提供位元串流以進行輸入。可程式數位濾波器(例如德州儀器的AMC1210)可處理此位元串流，並提供DSP或微控制器可使用的16位元二進位輸出，以提供測量及控制演算法功能。在此類型的特殊應用中，針對即時工業測量，德州儀器建議使用TMS320F280x。
AMC1210所具有的彈性極適合此類型的應用。其中的主要測量路徑包含4個具有可程式超取樣比例的三階SINC濾波器，可進一步進行輸入訊號濾波及平滑化。這也能夠根據特定的測量應用需求，調整速度與解析度的比例。除了濾波器之外，低延遲視窗比較器也適用於快速過壓及/或過流偵測。
結論
對於系統電源監視設備設計中出現的極高電壓，以上是以現成元件設計簡易、高效能、低成本電壓及電流測量解決方案的一些範例。此外有兩種不同的方法可用：具有測得訊號額外類比濾波功能的SAR轉換器，以及具有內建數位濾波器的ΔΣ轉換器。這兩種解決方案都提供高效能的測量，然而，決定採取何種解決方案需視特定應用需求而定。
長久以來，變壓器一直提供發電廠電壓及/或電流測量之間的隔離功能，業已成為最低成本的長期可靠解決方案。近來有其他隔離技術可供運用，因此能夠使隔離阻障的發電廠端進行訊號調節及ADC轉換，以提升測量準確性。這項全新的隔離技術使用電容隔離阻障(例如TI ISO721)，提供高達甚至超出6kV 的隔離效果。再如圖4所示，可在ADS120x調變器及AMC1210數位濾波器之間實作隔離阻障，因此不需要使用圖1中出現的第二個隔離變壓器。
關於作者
Miro Oljaca為德州儀器資深應用工程師，目前負責工業應用相關的高精密度線性產品。Oljaca具有二十多年馬達控制及電源轉換等領域的設計經驗，本身擁有南斯拉夫貝爾格勒University of Belgrade電子工程科學電機理學士及電機理碩士等學位，並擁有19項以上馬達控制領域的國際專利，先前已發表30多篇文章。
Skip Osgood為德州儀器精密資料轉換及混合訊號產品行銷開發經理，擁有 Northeastern University電機理學士學位，並具有30多年資料轉換器產品的應用及行銷經驗。Osgood已發表許多關於類比產品的應用手冊及文章，並且曾多次出席全球產品及應用研討會。
隨著現今工業市場用電量逐漸增加，電源系統的監控也因此需要不斷改良。對於節能及整體電源運用而言，適當管理及配送電源至關重要。對於進行決策以及確實防護輸電網路與終端使用者而言，正確且即時的測量實為箇中關鍵。
圖1顯示必須測量三相電流的典型高壓電源傳輸系統。產生的極高電壓必須予以隔離及減弱，才能符合低電壓測量及相對應控制系統的輸入功能。電源變壓器是第一層高電壓隔離，例如，發電廠傳輸的220kV會轉換成低電壓的 220V。由於這個電壓對於目前的類比數位轉換器(ADC)而言還是過高，因此需要進一步三相式的隔離。接著是將220V轉換為±10V訊號，以提供必要的控制及防護電路系統功能。對於負載電流測量，也需要相同的隔離、測量、控制及防護；這些動作可搭配高電壓電源變壓器使用，以進一步降低電壓。
雖然輸入頻率相對較低，但是各測量的時間仍極為重要。此一配置需要在多個通道同時進行測量。本文後續將說明多種可在這些測量中正確啟用訊號調節及資料轉換的方法。
圖1. 典型高電壓三相電源傳輸系統
使用高電壓元件進行測量
電壓及電流測量的其中一項常用解決方案需要使用高電壓元件。經過濾波後，來自於電壓或電流變壓器會由運算放大器(運算放大器)緩衝處理。這需要變壓器與運算放大器之間的電阻電容電路(RC)濾波器，才能限制電壓突增及輸入電流。
變壓器產生的電壓突增是以R1及C1進行過濾。輸入電阻R1也可協助限制暫態期間的輸入電流，並保護運算放大器的高阻抗、非反向輸入接腳。R2及C2的額外過濾可針對運算放大器提供暫態隔離，以避免通常與電流連續近似暫存器(SAR)架構ADC有關的電荷注入。藉由此一方法，可將變壓器的輸出電壓(一般為20Vpp或±10Vpp)緩衝處理，並傳輸到ADC輸入。
然而，這個簡易的電路有幾項潛在問題。首先且最重要的一點是，這個電路需要三個電源供應才能正常運作：運算放大器及ADC的類比部分各需要±12V，處理器的介面則需要5V。這三個電源供應必須專用於電路系統的類比測量部分，而且不可引用自數位處理或繼電器所用任何雜訊過多的輔助供電。同時，這些需求使得配置更為複雜，需要使用昂貴的多層印刷電路板(PCB)設計。第二個問題是元件供應方面的限制，目前只有幾家製造商提供可接受±10V輸入電壓的ADC。
使用低電壓元件進行測量
另一個解決方案是使用低電壓元件。在這個特殊個案中，我們是採用符合成本效益的單一電源供應5V元件進行類比測量。圖3顯示使用這些低成本的低電壓元件進行的建議解決方案。來自於隔離變壓器的±10V訊號是直接連接至差動放大器(例如德州儀器的INA159)的輸入，100kΩ電阻的高輸入阻抗及±30V 的最大輸入電壓使得這個連接方式得以實現。其中的內部電已阻調整為最佳線性及共模抑制比(CMRR)。
輸出訊號會經過位準移位而調整為介於0.5V至4.5V之間，然後直接傳輸至ADC(例如德州儀器的ADS8365)。這個全新的低功耗16位元6通道同時取樣 SAR轉換器含有6個ADC的取樣保持電路，適用於需要測量三相電壓及三相電流的電源測量應用。
使用ΔΣ轉換器進行測量
第三個解決方案是使用ΔΣ ADC轉換輸入訊號。對於此類型的應用，使用ΔΣ ADC 轉換器的其中一項主要優點是使用數位濾波器。數位濾波器不僅過濾轉換器的量化雜訊，也引導此類型的應用中出現的嚴重雜訊，使嚴重雜訊不干擾所需的訊號頻帶。在此類型的應用中，也可以測量中性線的電壓及電流。如 TI的ADS1204之類的ΔΣ轉換器具有4個16位元效能的獨立ΔΣ調變器。使用2個ADS1204轉換器，即可同時從8個輸入通道取得測量資料。
圖4顯示4通道解決方案。來自於變壓器的輸入訊號經過INA159減弱及位準移位。ADS1204將此訊號數位化，並提供位元串流以進行輸入。可程式數位濾波器(例如德州儀器的AMC1210)可處理此位元串流，並提供DSP或微控制器可使用的16位元二進位輸出，以提供測量及控制演算法功能。在此類型的特殊應用中，針對即時工業測量，德州儀器建議使用TMS320F280x。
AMC1210所具有的彈性極適合此類型的應用。其中的主要測量路徑包含4個具有可程式超取樣比例的三階SINC濾波器，可進一步進行輸入訊號濾波及平滑化。這也能夠根據特定的測量應用需求，調整速度與解析度的比例。除了濾波器之外，低延遲視窗比較器也適用於快速過壓及/或過流偵測。
結論
對於系統電源監視設備設計中出現的極高電壓，以上是以現成元件設計簡易、高效能、低成本電壓及電流測量解決方案的一些範例。此外有兩種不同的方法可用：具有測得訊號額外類比濾波功能的SAR轉換器，以及具有內建數位濾波器的ΔΣ轉換器。這兩種解決方案都提供高效能的測量，然而，決定採取何種解決方案需視特定應用需求而定。
長久以來，變壓器一直提供發電廠電壓及/或電流測量之間的隔離功能，業已成為最低成本的長期可靠解決方案。近來有其他隔離技術可供運用，因此能夠使隔離阻障的發電廠端進行訊號調節及ADC轉換，以提升測量準確性。這項全新的隔離技術使用電容隔離阻障(例如TI ISO721)，提供高達甚至超出6kV 的隔離效果。再如圖4所示，可在ADS120x調變器及AMC1210數位濾波器之間實作隔離阻障，因此不需要使用圖1中出現的第二個隔離變壓器。
關於作者
Miro Oljaca為德州儀器資深應用工程師，目前負責工業應用相關的高精密度線性產品。Oljaca具有二十多年馬達控制及電源轉換等領域的設計經驗，本身擁有南斯拉夫貝爾格勒University of Belgrade電子工程科學電機理學士及電機理碩士等學位，並擁有19項以上馬達控制領域的國際專利，先前已發表30多篇文章。
Skip Osgood為德州儀器精密資料轉換及混合訊號產品行銷開發經理，擁有 Northeastern University電機理學士學位，並具有30多年資料轉換器產品的應用及行銷經驗。Osgood已發表許多關於類比產品的應用手冊及文章，並且曾多次出席全球產品及應用研討會。
