AD7656的原理介绍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。

   
 3.5 AD7656系统的电容设计

    AD7656在转换过程中,对于电容的要求比较严格,主要原因是模数转换器在转换过程中需要足够的电能量保证其完整正确地把模拟信号转换成为数字信号。由于AD7656有6个独立通道的ADC,所以6个通道同步转换的过程中,需要较多的瞬态电流从AVCC流入AD,因此需要较多的能量保证AVCC的电源电压的供给,所以在设计上需要配置足够的电容。不恰当的电容设计和电路板设计会对电路的整体性能造成很大的影响。通过实际的测试和试验,推荐以下几种设计方案。

    3.5.1 方案一

    图7是推荐的可以得到最好性能的电容设计。主要的设计要求包括：

    (1) VDD,VSS,Vdrive,DVCC,REFCAPA,REFCAPB,REFCAPC,REFIN／OUT管脚都需要一个100nF和10μF的去耦电容;

    (2) 每个AVCC管脚需要配置一个100nF和一个10μF的去耦电容;

    (3) 在AVCC的板级输人端加入一个推荐为22μF以上的去耦电容;

    (4) 设计单独的AVCC电源平面。

    3.5.2 方案二

    通过一些试验证明,方案一对于设计电路板的排布是一个十分艰巨的任务,为了减少对于板级面积的压力,设计了方案二。其基本可以达到方案一的效果,电路与方案一类似,设计差别为：

    (1) 每个AVCC管脚需要配置一个10μF的去耦电容;

    (2) 每个AVCC管脚需要单独通过过孔连接到AVCC电源平面。

    3.5.3 方案三

    方案三是更加简洁的设计方案,是在方案一基础上建立的,具体差别为：

    (1) 把6个ADC的AVCC电源管脚分成3组,每组放置一个100μF的去耦电容;

    (2) 不需要较大的去耦电容放置在板级AVCC输入端。  

    3.6 其他设计注意事项

    3.6.1 复位问题

    用AD7656进行产品设计的时候,要注意到一点：无论采取硬件模式或软件模式,在AD7656上电后必须对其进行复位,复位脉冲一般在100ns以上。

    3.6.2 Vdrive连接问题

    Vdrive管脚主要用于控制总线上的电压信号,一般与所用I／O总线的电压一致,所以可以提供3.3V或是5V。

    3.6.3 总线缓冲问题

    在设计中建议加入一级缓冲,主要为了防止由于数字噪声耦合到电源对A／D转换产生影响,推荐设计使用ADI公司的ADG3308。ADG3308是一款ADI公司最新推出的用于总线电平转换和隔离的芯片,能在1.2V～5.5V的电源系统中以40Mbps的速率传输数据。与其他解决方案不同,ADG3308不需要用DIR引脚选择数据传输的方向,它接受该器件中每一个具体通道执行的自动检测,从而允许同时读和写信号,设计上简单方便。

    总之,AD7656作为6通道、同步采样的16bit AD转换器产品,是专为针对电力继电保护和电机控制设计量身定做的一款产品,同时也适用于电力故障录波、负控终端等产品的设计和应用。