在斷路器應(yīng)用中，安裝在微控制器(MCU)內(nèi)部或外部的連續(xù)漸進(jìn)式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)，由于啟動(dòng)速更快，因此比∑-Δ ADC更受歡迎。然而，∑-Δ ADC具有更高的動(dòng)態(tài)范圍、更高的分辨率、內(nèi)置PGA（可編程增益放大器），且功耗更低。

∑-Δ ADC上電時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間約為100ms，這限制了其在斷路器內(nèi)的應(yīng)用。解決方法就是使用具有更快啟動(dòng)速度的∑-Δ ADC。使用更高分辨率的∑-Δ ADC能夠減少針對不同型號(hào)的空氣斷路器(ACB)所使用的硬件數(shù)量，并縮短設(shè)計(jì)周期。

用于空氣斷路器的高分辨率、快速啟動(dòng)模擬前端參考設(shè)計(jì)(TIDA-00661)聚焦于解決關(guān)鍵的斷路器要求。您也可以在塑殼斷路器(MCCB)設(shè)計(jì)中部分或全部使用該解決方案。

用于低壓應(yīng)用的空氣斷路器

圖 1：電流高達(dá)6300A的SACE Emax 2空氣斷路器

住宅、商業(yè)和工業(yè)配電系統(tǒng)使用帶電子跳閘單元(ETU)的空氣斷路器用于負(fù)載端保護(hù)。

空氣斷路器中的電子跳閘單元

電子跳閘單元既能夠提供測量信息也能夠提供以下功能：

快速啟動(dòng)——跳閘單元必須在<5ms內(nèi)運(yùn)行并開始模擬輸入采樣。

基于MCU的真有效值測量。

電流(X 5)和電壓(X 3)測量。

關(guān)合電流脫扣器。

功率測量。

當(dāng)相電流超過額定電流(In) 20% - 25%時(shí)采用自供電或輔助供電（直流輸入）模式。

關(guān)于電子跳閘單元功能的更多介紹，請參見參考設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)指南的第1.3.1部分。

空氣斷路器的功能：關(guān)合電流脫扣器

空氣斷路器能夠防止配電系統(tǒng)/負(fù)載出現(xiàn)過載、短路或接地故障，根據(jù)其額定載流量進(jìn)行選擇使用；其額定流量為200A - 6300A。斷路器在過載或短路時(shí)的跳閘始動(dòng)電流可以設(shè)置為額定電流的10-15倍，最多為100kA。由于斷路器攜帶著大量電流，因此，必須防止其誤合閘。該保護(hù)功能被稱為關(guān)合電流脫扣器(MCR)。

如果在關(guān)合操作中，電流超過短路或瞬時(shí)始動(dòng)電流設(shè)置，空氣斷路器便會(huì)在MCR功能的作用下跳閘。如果當(dāng)短路故障電流超過額定關(guān)合電流時(shí)（50kA、63kA或100kA，具體視應(yīng)用、品牌和型號(hào)而定）仍試圖關(guān)合電路，空氣斷路器也會(huì)在MCR功能的作用下跳閘。

規(guī)定的斷路時(shí)間為30-50ms，不同制造商可能有所差異。斷路時(shí)間包括對輸入電流進(jìn)行采樣和處理采樣，為負(fù)責(zé)斷開故障電流的螺線管提供跳閘指令。該要求會(huì)限制您的直流/直流轉(zhuǎn)換器、MCU和ADC選項(xiàng)。

參考設(shè)計(jì)特性

參考設(shè)計(jì)包含帶ADC的模擬前端板以及帶MCU和電源的接口板，此外，還有用于空氣斷路器的電子跳閘單元信號(hào)處理前端。該設(shè)計(jì)采用了高分辨率∑-Δ ADC用于測量指定精度范圍內(nèi)的寬電流和電壓輸入；ADC可以測量多達(dá)八個(gè)24位分辨率的同步輸入。ADC能夠連接MSP430? MCU進(jìn)行模擬輸入處理。

該設(shè)計(jì)采用整流電流輸入或輔助直流輸入電源。其根據(jù)功率要求提供兩個(gè)正負(fù)供電選項(xiàng)，一個(gè)使用LM5017，另一個(gè)使用LM5160，采用Fly-Buck?模式配置。

設(shè)計(jì)特性包括：

三個(gè)電壓輸入端和五個(gè)電流輸入端連接至一個(gè)八通道、同步采樣的24位ADS131E08S快速啟動(dòng)(<3ms)∑-Δ ADC。

測量動(dòng)態(tài)范圍≤500交流電流輸入、精度±1%、固定PGA增益。

測量10-900V交流電壓輸入、精度±1%、固定PGA增益。

反激式轉(zhuǎn)換器配置直流/直流轉(zhuǎn)換器用來產(chǎn)生電源輸出。

子系統(tǒng)可配置2W或8W功率輸出。

參考設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

該參考設(shè)計(jì)基于ADS131E08S ∑-Δ ADC，實(shí)現(xiàn)了空氣斷路器的一些重要要求，如：

快速啟動(dòng)：規(guī)定出現(xiàn)電流故障時(shí)空氣斷路器在30-50ms內(nèi)跳閘，該時(shí)間包括系統(tǒng)上電、交流電輸入電流測量和斷開故障電流所用時(shí)間。

寬范圍輸入測量：對于給定的電流斷路器額定值，故障電流輸入范圍為0.3-15 In（額定電流）或更大。斷路器有多個(gè)電流額定值可選。高分辨率ADC確保了可以無需更換硬件，同一電子跳閘單元用于多個(gè)或全部電流額定值。同樣地，同一電子跳閘單元用于多個(gè)電壓額定值，簡化硬件設(shè)計(jì)和測試。通過可設(shè)置為2.4V或4V的高分辨率ADC、PGA和基準(zhǔn)提升動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入測量。

精確測量電壓和電流輸入：精確的輸入電流測量確保了可重復(fù)的跳閘時(shí)間保護(hù)性能以及精確測量不同計(jì)量參數(shù)。通過高分辨率ADC、內(nèi)置PGA和內(nèi)部基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)精確測量。

提升可靠性和溫度性能：集成的基準(zhǔn)和PGA降低了對外部組件的要求、提升了溫度性能及可靠性。

表1列出了參考設(shè)計(jì)不同子系統(tǒng)的啟動(dòng)延時(shí)情況。

子系統(tǒng)

TI產(chǎn)品

延時(shí)（毫秒）

電源

MC5017或LM5160直流/直流轉(zhuǎn)換器

≤0.65

ADC

ADS131E08S，4KHz條件下進(jìn)行采樣

≤2.30

MCU，帶內(nèi)置振蕩器

MSP430FR5969 MCU

≤0.5

測量±2%模擬輸入的總啟動(dòng)延時(shí)

≤3.5

表1：空氣斷路器電子跳閘單元啟動(dòng)延時(shí)TI設(shè)計(jì)

該參考設(shè)計(jì)通過了對寬量程電流和電壓輸入進(jìn)行的電壓和電流精度性能測量。每個(gè)測量周期達(dá)到了±0.5%的精確度（80個(gè)樣品@ 4000個(gè)樣品/周期，50Hz輸入）見參考設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)指南的第8部分。

總結(jié)

參考設(shè)計(jì)TIDA-00661基于ADS131E08S∑-Δ ADC ，使用∑-Δ ADC解決了空氣斷路器的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并提升了半個(gè)或一個(gè)測量周期的測量精度。其配有設(shè)計(jì)指南、Altium原理圖和印刷電路板(PCB)文件、程序集文件和材料清單(BOM)，便于加快您的設(shè)計(jì)進(jìn)程。