摘  要： 闡述了MAX11046等同時采樣ADC在電力線監測中的應用，介紹了交流電測量的基本原理，給出了電網監測的典型應用以及國際標準對監測系統的要求。歸納了MAX11046電力線監測的獨特優勢并提供了一個應用案例，介紹如何選擇外圍器件，優化系統性能。
關鍵詞： 同時采樣；ADC；電力線監控；電網監測

    供電質量管理系統需要實時監測、記錄多相電網的三相電壓和電流，這些監控和數據采集(SCADA)系統還可以監控零相的電壓和電流，以檢測負載的不平衡性或頻率諧波。此外，功率測量系統對三相電中的每一相電壓、電流的均方根值(RMS)進行測量，由此決定功率損耗。先進的電力線監測系統包括供電質量管理、監控與保護以及表計功能。這些系統能夠幫助電力部門和用戶進行前兆維護、管理能耗和成本、控制供電質量并為設備提供有效保護，所有這些嘗試的目的都是為了提高能效。
測量系統架構
    圖1給出了交流電測量的基本原理，采樣并計算瞬時功率和平均功率。圖2所示為典型的電網監測應用，三相電壓之間的相位差為120°(1/3周期)。第四條線稱為零相，用于調整負載的不均衡。如果三相負載完全相同，則系統達到平衡，此時將沒有電流流過零相線。這種三相電力系統是全球的通用標準，稱為“Y”型連接，形似其矢量圖。每相功率測量通過電流變壓器(CT)和電壓變壓器(PT)表示，一個完整系統包含四對信號，三相電的每相和零相各對應一對信號。

    如圖2所示，MAX11044/MAX11045/MAX11046同時測量三相及零相電壓和電流。數字處理器對采樣數據進行處理，計算數字轉換數據、有功電能、無功電能、視在電能以及功率因數。對采樣數據進行快速傅里葉變換(FFT)可以進一步計算得到頻率和諧波失真。傳輸能量的測量必須符合國際標準或當地標準的要求，例如，歐盟(EU)標準EN 50160，即為一種通用的國際標準。
    IEC 62053是另一項EU標準，制定了高精度電表的規范。該規范定義了四級計量精度：2級、1級、0.5級和0.2級(例如0.2級代表0.2%的標稱電流和電壓測量精度)。對于功率因數的測量精度，相位匹配度需保持在0.1%或更高精度。對于諧波電壓，EN 50160要求測量50 Hz/60 Hz電壓的25次諧波。然而，各種非線性負載(例如熒光燈、開關電源等)會產生50 Hz/60 Hz電壓的127次諧波。IEC 61850等新一代標準要求記錄電力系統的瞬態值，每交流周期提供256個(或更多)采樣點。
對于ADC系統的基本要求
    EN 50160、IEC 62053、IEC 61850等標準規定了用于電力監控和計量系統的多通道ADC的最低精度要求和采樣速率。電網監控設備必須以高達60 Hz×256，或高于15 360 S/s的采樣速率測量瞬態電流和電壓，另外，電網監測還需要滿足IEC 62053標準對電源測量精度的要求。
    ADC的電壓測量動態范圍按照需要監測的最大電壓和標稱電壓以及對電源測量精度的要求進行計算。例如，如果設計要求測量1.5 kV的瞬態過壓(故障條件下)，標稱電壓為220 V，精度要求為0.2級(0.2%)，則電壓測量子系統的總動態范圍為：20log((1500/220)×2000))=83 dB。
    為了滿足標準要求的0.2%精度，需要將所有計算精度控制在0.05%以內。另外，對于電流測量的要求也會影響ADC的規格，如果設計對電源監測的要求是：100 A:10 A(標稱值10 A，最大值100 A)和0.2級(0.2%)，電流測量子系統的總動態范圍為：20log((100/10)×2 000))=86 dB。
    從上述示例可以明顯看出系統對ADC的動態范圍要求較高，16位分辨率和16 kS/s的采樣速率是最基本的要求。為了確保三相和零相“Y”型連接系統的電流、電壓測量精度，ADC必須能夠同時采樣8個通道(4路電壓和4路電流)，必須具有86 dB甚至更高的SNR。
SAR ADC在電網監控中的應用
    Maxim提供多種可同時測量三相及零相電壓和電流的ADC，每款ADC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架構。從其名稱即可看出，SAR ADC采用的是對半查找法則(逐次逼近)。CT、PT(傳感器)變壓器的典型輸出為±10 VP-P或±5 VP-P。MAX130x和MAX132x系列ADC可支持這些范圍，MAX11046的輸入范圍只適用于±5 V的變壓器常用輸入范圍。MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入阻抗較低，在電網監控系統中需要增加輸入緩沖器和低通濾波器，以保證12位至14位的精度，如圖3所示。

    MAX11046提供可選擇的有源輸入緩沖器/低通濾波器，MAX11046具有非常高的輸入阻抗，可直接連接到特定傳感器。以CT、PT測量變壓器為代表的低阻傳感器(等效阻抗RTRANS在10 Ω～100 Ω量級)，可以通過簡單的RC模擬前端(AFE)直接連接到MAX11046輸入端。如果測量信號頻帶內的50 Hz/60 Hz混疊噪聲較低，則由輸入RC電路構成的低通濾波器即可滿足要求。圖4給出了一個簡單的高性價比解決方案，使得MAX11046能夠支持±5 V或±10 V的輸入范圍。

    考慮圖3所示輸入電路，需要特別注意R1、C1、Rd和C2參數的選擇。1:1電阻分壓器(Rd1=Rd2=Rd)作為PT和CT變壓器負載將會引入增益誤差，圖3所示電路的增益誤差可由下式計算：
    增益誤差%=(1-2×Rd/(2×Rd+RTRANS))×100    (1)
式中：Rd為分壓器阻抗；RTRANS為變壓器阻抗。電阻值對增益誤差的影響如表1所示。

    為了保持低增益誤差，必須使用精密電阻。最好選擇金屬膜電阻，這種電阻具有低溫漂，誤差滿足要求。MAX5491提供了一種優異的電阻分壓方案，它在一個封裝內集成了兩個精確匹配的電阻。MAX5491的電阻比具有極低溫漂，在-40 ℃～+85 ℃溫度范圍內溫漂保持在2 ppm/℃以內，其端到端電阻為30 kΩ，能夠提供并保持0.17%的增益誤差。
    MAX11046評估(EV)板提供完備的8通道DAS，幫助設計工程師快速完成圖3推薦的設計方案驗證。圖5給出了基于MAX11046EVKIT的開發系統裝置。從圖中可以看出，只需極少的外部元件即可進行高精度電路測試，測試結果通過USB口送入PC機并轉換成Excel文件，以待進一步處理。
    圖5中，函數發生器1產生的擺幅為±5 V的信號通過R1和C1濾波后發送到MAX11046的通道1輸入端，R1和C1取值需滿足ADC采樣時間的要求，可以由式(2)求得。

式中：R1MAX為最大源阻抗；FSAMPLE為采樣率；TCONV為ADC轉換時間(MAX11046的典型值為3 μs)；k為RC時間常數，需滿足ADC分辨率的要求(16位ADC，時間常數為12)；CSAMPLE為內部采樣電容(MAX11046的采樣電容約為20 pF)。從式(2)計算得知，采樣率為2.5 kS/s時，R1MAX約為12.1 kΩ、C1=2 700 pF。在設計限制的范圍內，選擇R1=10.0 kΩ。C1=2 700 pF，大于CSAMPLE 100倍，能夠為內部采樣電容提供足夠的電荷支持。
    圖5中，函數發生器2產生的擺幅為±10 V的信號并通過Rd分壓器和C2發送到MAX11046的輸入通道8，Rd=20.0 kΩ，從表1可知，這將產生大約0.12%的增益誤差。該指標符合歐盟(EU)通用標準IEC 62053對高精度電表測試設備的精度要求(0.2%級精度)。按照圖5所示電路的要求搭建測試裝置，可以得到高精度測量結果，如表2所示。

    隨著人們對能源需求的增長，全球范圍內對電網基礎架構的投資也迅速增長。這些新型電力系統包含一個關鍵單元，即多通道監控和數據采集(SCADA)系統，需要自動監測供電系統并提供故障檢測和保護。SCADA系統需要一個類似于MAX11046的多通道、高分辨率ADC。MAX11046提供最高效的16位、8通道同時采樣功能，采用8 mm×8 mm封裝。由于器件的高阻輸入架構，省去了外部緩沖器。器件優化用于三相電網監控和測量系統，高密度設計在提高性能的同時有效降低了系統成本和電路板面積。