AD7656的原理及在继电保护产品中的应用
1 AD7656的性能简介
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和每通道达250kSPS的采样率,并且在片内包含一个2.5V内部基准电压源和基准缓冲器。该器件仅有典型值160mW的功耗,比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60％。
AD7656包含一个低噪声、宽带采样保持放大器(T／H),以便处理输入频率高达8MHz的信号。该AD7656还具有高速并行和串行接口,可以与微处理器(MCU)或数字信号处理器(DSP)连接。AD7656在串行接口方式下,能提供一个菊花链连接方式,以便把多个ADC连接到一个串行接口上。
AD7656采用具有ADI专利技术的iCMOS(工业CMOS)工艺。iCMOS 工艺是一种高压半导体工艺与亚微米CMOS(互补金属氧化物半导体)和互补双极型工艺相结合的制造上艺。它能开发出承受30V电源电压的多种高性能模拟IC,并且其小封装尺寸是任何其他同类高电压IC都未曾达到的。与使用传统CMOS工艺的模拟IC不同,iCMOS器件能承受高电源电压,同时提高性能、显著降低功耗和缩小封装尺寸。AD7656是使用该种工艺设计制造的产品,所以非常适合在继电保护、电机控制等工业领域使用。图1是AD7656的内部原理框图。
2 AD7656的工作原理
AD7656足具有独立的六通道逐次逼近型(SAR)的模数转换器,转换处理和数据的精度是通过CONVST信号和一个内部晶振控制的。3个CONVST管脚允许3路ADC对独立同步采样。当3个CONVST管脚连接到一起时,就可以进行6个通道的同步采样。 AD7656具有高速的并行和串行接口,允许其与Microprocessors和DSP进行接口。当使用串行接口模式时,AD7656具有的菊花链特性允许多个ADC和一个串行接口连接。由于在电力继电保护产品中以并行接口连接设计为主,所以下面将以并行接口的连接方式介绍其工作原理。
图2是AD7656在并行接口方式下的工作时序图。首先,通过MCU或DSP控制CONVST管脚启动转换,并保持该信号为高电平。AD7656启动转换信号后会自动输出BUSY信号,BUSY信号下降沿时,代表转换已经全部完成。此时,AD7656内部的6个寄存器中已经保存了转换的数据,然后通过控制片选CS和读RD信号依次顺序读出6个通道AD转换值。 读出AD转换值后,改变CONVST为低电平信号。注意在设计时,一定要保证AD转换过程中CONVST管脚保持高电平。
3 AD7656在电力继电保护产品中的应用
当前,继电保护产品在不断地更新换代并改变着设计模式。最初由于工艺和芯片等各方面因素的影响,第一代电力继电保护产品均采用模拟开关,配合单通道16bit的ADC设计,例如AD976,AD574等AD转换器产品;后来出现了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模拟开关的第二代继电保护产品,AD7665和AD7865在当前很多电力继电保护产品中仍有非常成功的应用案例;随着技术的更新和产品工艺的改进,尤其是其±10V双极多通道同步输入等技术特点,使AD7656有望成为电力继电保护的新一代产品。
3.1 AD7656前端模拟电路设计
AD7656可以支持输入±10V双极信号,按照经典的设计理论,需要对前端信号进行抗混叠滤波。为了满足16bit精度的要求,前端要选用高精度并且可以处理±10V双极信号的运算放大器作信号处理和滤波。
3.2 AD7656电源设计
3.2.1 VDD和VSS
在AD7656的设计中,VDD和VSS主要作为采样保持开关工作的电源,图3是VDD和VSS工作的原理框图。一般设计时,需要保证大于VINx模拟输入端的输入电压范围,才能保证AD可靠工作。表1是AD7656在不同条件下需要的最小值。
实际设计中,可以采用几种方式得到VDD和VSS。一种方式是采用开关电源的方式来设计产生VDD和VSS;另一种是采用电荷泵的方式提供VDD和VSS;还有一种方式是使用DC-DC模块来提供VDD和VSS。由于AD7656对于VDD的纹波比较敏感,会直接影响采样得到的精度,所以,无论应用那种方式提供VDD和VSS,均要考虑较好的滤波系统。图4是一种采用美国ADI公司生产的ADP1611提供VDD和VSS的DC-DC方案设计。‘
3.2.2 AVCC(AGND)和DVCC(DGND)
AVCC和DVCC是AD7656的模拟电压输入端和数字电压输入端。AD7656作为6通道独立的同步采样数据转换器,在转换过程中需要足够的电能量,所以对于AVcc的去耦在设计中就显得十分重要,后面将有具体描述。在实际电路设计中,可以单独提供±15V(或是±12V)电压给VDD和VSS电压输入端,同时提供+5V给AVCC模拟电压端,通过滤波器(小电阻或磁珠)把AVCC连接到DVCC,然后再通过滤波器供给CPU系统+5V电源;或在提供±15V采样电压时,将+15V电压使用DC／DC得到+5V电压,供给AVCC和DVCC输入端使用,而CPU系统则采用单独的+5V电源。
在AVcCCDVCC的连接设计上,由于DVCC会引来一些数字噪声给AVCC,影响AD7656的采样性能。所以在AVCC和DVCC之间需要放置一个儿欧姆的小电阻或是一个小磁珠。加入小电阻或是磁珠后,在DVCC产生噪声的频点上,小电阻或是磁珠可以看成是高阻状态,能够使正常的信号通过并滤除噪声。
3.3 AD7656基准设计
AD7656具有10ppm的内部基准,对于一般的单芯片可以满足设计需要。但是在多芯片产品设计中,由于不同芯片内部的基准提供的初始精度不同,所以温度系数也会不同,为了得到更高的性能和可靠性,需要一个稳定可靠的基准。ADR421具有2.5V输入、lppm／℃的温度系数、初始精度可以达到0.04％,是一款在电力继电保护系统中成功应用的电压基准芯片。ADI最新推出了同ADR421管脚完伞兼容的ADR441产品,其具有1ppm／℃的温度系数,0.04％的初始精度,而且仅仅1.21μV的p-p噪声性能,也是十分适合电力继电保护产品应用的电压基准芯片。
3.4 AD7656的接地设计
3.4.1 单片AD7656接地方式
AD7656在单芯片设计时,接地需要采用系统单点接地方式。AD7656的AGND和DGND分别作为模拟电路和数字电路的平面地来处理。在AD7656的芯片下面进行接地处理。此时,AVCC和DVCC的电源采用不同的电源电路设计,如图5所示。
3.4.2 多片AD7656接地方式
对于继电保护产品需要采用多片AD7656使用的系统,其接地方式和单片系统有很大差别。多片系统设计上把AD7656的AGND和DGND作为统一的模拟地平面处理,而把同AD7656接口的CPU处理器的电源地作为数字地平面处理,采用系统单点接地方式时,需要在同多片AD7656距离接近的地方作为接地点。同时应注意,ACND和DGND是单独通过各自的过孔连接到模拟地平面的,如图6所示。
，AD7656的原理及在继电保护产品中的应用