在太陽能應(yīng)用中采用ADI信號鏈實(shí)現(xiàn)隔離測量技術(shù)

太陽能應(yīng)用中的電壓和電流測量需采用隔離測量技術(shù)。DSP Sinc輸入以及ADIAD7401A隔離式ADC恰好提供ADI信號鏈的一個(gè)示例，實(shí)現(xiàn)這種隔離測量。本文介紹采用ADSP-CM403xy和AD7401A器件，并由ADI設(shè)計(jì)的測量應(yīng)用典型信號鏈。

太陽能光伏逆變器系統(tǒng)

太陽能光伏逆變器轉(zhuǎn)換來自太陽能面板的電能并高效地將其部署到公用電網(wǎng)中。來自太陽能面板的電能基本上屬于直流源，它會被轉(zhuǎn)換成交流，并與電網(wǎng)頻率成一定的相位關(guān)系，饋送至公用電網(wǎng)上，且效率極高。轉(zhuǎn)換可以采用單級，也可以采用多級（見圖1）。第1級通常為DC-DC轉(zhuǎn)換，其中太陽能面板的低電壓與高電流輸出轉(zhuǎn)換為高電壓與低電流。這樣做的目的是為了將電壓提升至與電網(wǎng)峰值電壓兼容的水平。第2級通常將直流電壓和電流轉(zhuǎn)換為交流電壓和電流，一般使用H-電橋拓?fù)洹?/p>

ADC理論—AD7401A

AD7401A是一款二階Σ-Δ調(diào)制器，片上的數(shù)字隔離采用ADI公司的iCoupler? 技術(shù)，能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為高速1位數(shù)據(jù)流。AD7401A采用5 V電源供電，可輸入±250 mV的差分信號（滿量程±320 mV）。模擬調(diào)制器對模擬輸入信號連續(xù)采樣，因而無需外部采樣保持電路。輸入信息以數(shù)據(jù)流密度的形式包含在輸出數(shù)據(jù)流內(nèi)，該數(shù)據(jù)流的最高數(shù)據(jù)速率可到20 MHz。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器（稱為Sinc濾波器）可重構(gòu)原始信息。處理器側(cè)（非隔離）可采用5 V或3 V電源 （VDD2）。

示例電路 – 描述

Σ-Δ 調(diào)制器的交流輸入是一個(gè)交流正弦波，表示單相電網(wǎng)發(fā)出的220 V rms信號。電阻分頻器將輸入范圍縮小到ADC的額定輸入范圍。輸入濾波器可降低輸入端的噪聲。

Σ-Δ 調(diào)制器輸出包含兩個(gè)信號：來自ADSP-CM403xyDSP處理器的高速時(shí)鐘輸入，以及保持調(diào)制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信號。該數(shù)據(jù)可直接輸入Sinc3濾波器，直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ADC結(jié)果。下文顯示該數(shù)據(jù)的一個(gè)示例。

在ADC的下限范圍內(nèi)，輸入信號具有窄脈沖寬度，而在上限范圍內(nèi)脈沖寬度幾乎達(dá)到其最大值。輸出數(shù)據(jù)通過Sinc濾波器后，便如對角線所示。AD7401A工作電壓高達(dá)891 V單極性范圍，或565 V雙極性范圍，并橫跨隔離柵：20μm聚酰亞胺。更多有關(guān)這些內(nèi)容的信息以及各種認(rèn)證可在相關(guān)數(shù)據(jù)手冊中找到。

ADSP-CM403XY SINC3外設(shè)模塊

框圖顯示4對Sinc濾波器（Sinc0至Sinc3）、2個(gè)調(diào)制器時(shí)鐘源和2組控制寄存器（單元）。模塊接受4路來自GPIO輸入引腳的Σ-Δ 位流，并將2個(gè)調(diào)制器時(shí)鐘源導(dǎo)入GPIO輸出引腳。脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號使調(diào)制器時(shí)鐘同步，以獲得最佳的系統(tǒng)性能。每個(gè)Sinc濾波器對均包含初級濾波器、次級濾波器、DMA接口和過載限值檢測功能。初級Sinc濾波器通過DMA將其數(shù)據(jù)傳輸至存儲器。次級Sinc濾波器產(chǎn)生過載信號，可通過觸發(fā)路由單元（TRU）路由該信號，使PWM調(diào)制器產(chǎn)生跳變，生成中斷。

使用AD7401A時(shí)，器件額定抽取速率（DR）為256，但也可在其他抽取速率下使用該器件。

對于DR=256的情況而言，Sinc3濾波器的響應(yīng)見下文中的圖5a和5b。

數(shù)字濾波器

Sinc濾波器的傳遞函數(shù)使其能用在數(shù)字邏輯中（使用一系列求和與抽取函數(shù)）。使用濾波器移除調(diào)制器采樣時(shí)鐘，恢復(fù)采樣信號的數(shù)字值。濾波器設(shè)計(jì)匹配雙極性Σ-Δ 調(diào)制器，0 V輸入下具有50%脈沖密度，正輸入時(shí)超過50%，而負(fù)輸入時(shí)不足50%，如圖6所示。

數(shù)字濾波器是一組累加器，由調(diào)制器時(shí)鐘（M_CLK）驅(qū)動，后接一組由抽取時(shí)鐘（D_CLK）驅(qū)動的微分器。 輸入累加器將輸入位流轉(zhuǎn)換為多字節(jié)字，而輸出微分器獲取位流的均值1密度。

累加器和微分器的級數(shù)可以為3或4，具體取決于濾波器階數(shù)。濾波器的直流增益和帶寬為濾波器階數(shù)（O）和抽取速率（D）的函數(shù)，即調(diào)制器時(shí)鐘與抽取時(shí)鐘的比值。Sinc濾波器傳遞函數(shù)由累加器與微分器的傳遞函數(shù)之積確定，Z域內(nèi)的表達(dá)式為：

PWM和SINC數(shù)據(jù)對齊

Sinc外設(shè)時(shí)鐘和PWM本質(zhì)上運(yùn)行在同樣的ADSP-CM403系統(tǒng)時(shí)鐘下，典型值為100 MHz。PWM和Sinc可以同步以便提供數(shù)據(jù)，并且時(shí)間與速率恰好和控制算法一致。通常與PWM電平波形對齊。下圖顯示使用Sinc輸入進(jìn)行電網(wǎng)同步所需時(shí)序的示例。當(dāng)PWM運(yùn)行在20 kHz （50 μs）時(shí)，PWM_SYNC信號（同步不同DSP的PWM模塊或外部PWM時(shí)需要用到該信號）位于PWM波形中央，幾乎不發(fā)生切換。若要對齊Sinc數(shù)據(jù)，則AD7401A的時(shí)鐘速率應(yīng)設(shè)為10.24 MHz，并且抽取速率為256（見AD7401A數(shù)據(jù)手冊）。這將產(chǎn)生40 KHz （50μs）的16位字速率，兩倍于PWM頻率。由于Sinc還可設(shè)為與PWM_SYNC輸出對齊（如下框圖所示），Sinc現(xiàn)在能在每個(gè)PWM周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出。輸出字在SRAM中可用， 位置在下一個(gè)PWM_SYNC信號位置處。顯然，它說明Sinc數(shù)據(jù)可用于電網(wǎng)同步算法控制中。

編程示例

/* SPECIFY DECIMATION RATE OPTIONS */

/* 256 */

// RESULT = ADI_SINC_SETRATECONTROL （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， ADI_SINC_FILTER_PRIMARY，DECRATE_256， 0）;

// RESULT = ADI_SINC_SETLEVELCONTROL （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， 0， 0， SAMPLECOUNT_INTRATE， PSCALE_256）; // PCINT INT RATE

/* 128 */

RESULT = ADI_SINC_SETLEVELCONTROL （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， 0， 0， SAMPLECOUNT_INTRATE， PSCALE_128）; // PCINT INT RATE

RESULT = ADI_SINC_SETRATECONTROL （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， ADI_SINC_FILTER_PRIMARY，DECRATE_128， 0）;

/* 64 */

RESULT = ADI_SINC_SETLEVELCONTROL （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， 0， 0， SAMPLECOUNT_INTRATE， PSCALE_64）; // PCINT INT RATE

RESULT = ADI_SINC_SETRATECONTROL （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， ADI_SINC_FILTER_PRIMARY，DECRATE_64， 0）;

/* SET SECONDARY RATE CONTROL “/

RESULT = ADI_SINC_SETRATECONTROL （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， ADI_SINC_FILTER_SECONDARY， 8， 0）;

RESULT = ADI_SINC_SETFILTERORDER （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， ADI_SINC_FILTER_THIRD_ORDER， ADI_SINC_FILTER_THIRD_ORDER）; RESULT = ADI_SINC_SETCIRCBUFFER（DEV， ADI_SINC_GROUP_0， SINC_CIRCBUFFER， CIRC_BUF_SIZE）;

/* SET OVERLOAD AMPLITUDE DETECTION LIMITS TO 0 – FULLSCALE */

RESULT = ADI_SINC_SETAMPLITUDELIMIT （DEV， ADI_SINC_PAIR_0， 0X0000， 0XFFFF）;

RESULT = ADI_SINC_SETAMPLITUDELIMIT （DEV， ADI_SINC_PAIR_1， 0X0000， 0XFFFF）;

RESULT = ADI_SINC_SETAMPLITUDELIMIT （DEV， ADI_SINC_PAIR_2， 0X0000， 0XFFFF）;

RESULT = ADI_SINC_SETAMPLITUDELIMIT （DEV， ADI_SINC_PAIR_3， 0X0000， 0XFFFF）;

/* SPECIFY MODULATOR CLOCK FREQUENCY， PHASE & STARTUP SYNCHRONIZATION */

RESULT = ADI_SINC_CONFIGMODCLOCK （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， FSYSCLK， MODCLK， 0， FALSE）; // UP TO 20MHZ

/* IT’S THE SAME CLOCK AS THE PWM – SO PWM AND SINC ARE SYNCHRONOUS */

RESULT = ADI_SINC_ENABLEMODCLOCK （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， ADI_SINC_MOD_CLK_IMMEDIATE ）;

/* ASSIGN BUFFERS TO RECEIVE SINC DATA-AUTOMATICALLY DMA’D INTO SRAM IN THE ADSP-CM403*/

RESULT = ADI_SINC_SUBMITBUFFER（DEV， ADI_SINC_GROUP_0， SINCDATA0， NUM_SAMPLES）;

/* ROUTE THE TRU INTERRUPT */

RESULT = ADI_SINC_ENABLEDATAINTERRUPT （DEV， ADI_SINC_GROUP_0， ADI_SINC_DATA_INT_0， TRUE）;

/* ENABLE & ASSIGN USED SINC FILTER PAIR， AND SPECIFY INTERRUPT MASKS */

RESULT = ADI_SINC_SETCONTROLINTMASK （DEV， ADI_SINC_INT_EPCNT0|ADI_SINC_INT_EFOVF0|ADI_SINC_INT_EPCNT1|ADI_SINC_INT_EFOVF1）;

RESULT = ADI_SINC_ENABLEPAIR（DEV， ADI_SINC_PAIR_0， ADI_SINC_GROUP_0， TRUE）; // ACV_EXTERNAL

RESULT = ADI_SINC_ENABLEPAIR（DEV， ADI_SINC_PAIR_1， ADI_SINC_GROUP_0， TRUE）; // ACV_INTERNAL

RESULT = ADI_SINC_ENABLEPAIR（DEV， ADI_SINC_PAIR_2， ADI_SINC_GROUP_0， TRUE）; // DC LINK

RESULT = ADI_SINC_ENABLEPAIR（DEV， ADI_SINC_PAIR_3， ADI_SINC_GROUP_0， TRUE）; // AC_CURRENT

/* WAIT AND READ FULL SINE WAVE INTO SRAM – START NEAR AC CROSSOVER. */

DO

{

PWM_SINC_LOOP=0;

GET_ADC_DATA_PWM（）;

}

WHILE （（SINC_VEXT_DATA［0］ 》 50） || （SINC_VEXT_DATA［0］ 《 -50）） ; // START SINC AT 0 V MEASUREMENT-ALIGNS WITH SINEWAVE.