脫扣點：使用Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡化斷路器設(shè)計

在斷路器應(yīng)用中，置于微控制器（MCU）內(nèi)部或外部的逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）更適合Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，原因是它們的啟動時間更快。然而，Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器為內(nèi)部PGA（可編程增益放大器）提供了更高的動態(tài)范圍和更高的分辨率，并消耗更低功耗。

Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器在啟動期間具有?100毫秒的啟動時間，這限制了它們在斷路器中的應(yīng)用。具有更快啟動時間的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器是解決之道。更高分辨率的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器減少了空氣斷路器（ACB）不同型號所用的硬件數(shù)量，并縮短了設(shè)計周期。

空氣斷路器參考設(shè)計（TIDA-00661）的高分辨率快速啟動模擬前端重點解決關(guān)鍵的斷路器要求。您還可以在塑殼斷路器（MCCB）的設(shè)計解決方案中使用部分或全部解決方案。

用于低電壓應(yīng)用的空氣斷路器

圖1：高達6300A的SACE Emax 2空氣斷路器

住宅、商業(yè)及工業(yè)配電系統(tǒng)采用帶集成電子脫扣器（ETU）的空氣斷路器保護負載側(cè)。

ACB中的ETU

ETU提供測量信息，也提供下列功能，如：

快速啟動 – 脫扣裝置必須正常運行，并在<5ms時開始采樣模擬輸入。

基于MCU的真有效值測量。

電流（X 5）和電壓（×3）測量。

關(guān)合電流脫扣器。

功率測量。

自供電的前提是相電流為額定電流（In）或輔助電源（直流輸入）的> 20％至25％。

關(guān)于ETU功能的詳細說明，請參閱該參考設(shè)計庫的設(shè)計指南第1.3.1節(jié)。

  ACB功能：關(guān)合電流脫扣器

空氣斷路器防止配電系統(tǒng)/負載過載負荷、短路或接地故障?？諝鈹嗦菲鞯念~定電流承載能力已做出規(guī)定；額定電流變化范圍為200A至6,300A。在過載或短路情況下，斷路器脫扣的吸動電流可以設(shè)置為10-15倍于額定電流，最高等級可達100kA。因為斷路器承載大電流，它們必須防止閉合時出現(xiàn)故障。這種保護功能被稱為關(guān)合電流脫扣器（MCR）。

若合閘操作期間，電流超過短路或瞬時吸動電流設(shè)定值，在MCR功能會使得ACB脫扣。 若試圖關(guān)閉高于額定接通容量的短路故障電流（50kA，63KA或100kA，取決于應(yīng)用程序、型號），MCR也會使得ACB脫扣。

取決于制造商，指定的斷路時間為30到50ms之間。斷路時間包括采樣輸入電流，并處理樣本以向螺線管提供脫扣命令，這斷開故障電流。這項規(guī)定限制了您的DC / DC轉(zhuǎn)換器，MCU和ADC選擇。

  參考設(shè)計特性

該參考設(shè)計包含一個帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器的AFE板和帶MCU和電源的接口板。它也具有一個用于ETU的信號處理前端，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器一起使用。本設(shè)計使用一個高分辨率Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于測量指定精度范圍內(nèi)的寬電流和電壓輸入；該模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以測量多達八個帶24位分辨率的同步輸入。帶MSP430™MCU的ADC接口用于模擬輸入處理。

該設(shè)計通過整流電流輸入或輔助直流輸入電源供電。它提供了兩種基于功率要求的選擇，以產(chǎn)生正負電源，一個使用LM5017，另一個使用在Fly-Buck™模式中配置的LM5160。

設(shè)計特點包括：

三個電壓和五個電流輸入接到帶快速啟動（<3毫秒）的八通道、同步采樣、24位ADS131E08S Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

在±1％范圍內(nèi)，測定動態(tài)范圍≤500的AC電流輸入，具有固定PGA增益。

在±1％范圍內(nèi)，測定10-900V的交流電壓輸入，具有固定PGA增益。

在Fly-Buck轉(zhuǎn)換器配置中的DC / DC轉(zhuǎn)換器用來生成電源輸出。

子系統(tǒng)配置用于2W或8W功率輸出。

  參考設(shè)計優(yōu)勢

ADS131E08S基于Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計滿足了空氣斷路器的一些關(guān)鍵要求，如：

快速啟動：當電源出現(xiàn)故障時，空氣斷路器被指定在30-50ms范圍內(nèi)脫扣。時間包括系統(tǒng)加電、交流輸入電流的測量和斷開故障電流。

寬輸入測量：對于給定的電流斷路器額定值，故障電流輸入范圍從0.3-15 In（額定電流）不等或以上。斷路器有多種額定電流可用。高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器確保將相同的ETU用于多個電流額定值或全部未更改硬件設(shè)備的電流額定值。類似地，相同的ETU可用于簡化硬件設(shè)計和測試的多個電壓等級。寬輸入電壓測量是通過可設(shè)置為2.4V或4V的高分辨率ADC，PGA和參考實現(xiàn)，從而提高了動態(tài)范圍。

電壓和電流輸入的精確測量：輸入電流的精確測量確?？芍貜?fù)脫扣時間性能用于保護和精確測量計量的不同參數(shù)。精確測量通過高分辨率ADC、內(nèi)部PG和內(nèi)部基準實現(xiàn)。

更高的可靠性和溫度性能：參考和PGA集成減少了外部元件的需求，改進了溫度性能，并提高可靠性。

表1列出了參考設(shè)計的各個子系統(tǒng)啟動延遲。

子系統(tǒng)

表1：ACB ETU TI設(shè)計的啟動延遲