ADSP-CM403 Sinc—太陽能應用中的隔離測量

太陽能應用中的電壓和電流測量需要隔離的測量技術。DSP sinc輸入與ADI公司的AD7401A隔離式ADC一起，只是ADI公司提供此類隔離測量的信號鏈的一個例子。

本文檔介紹ADI公司使用ADSP-CM403xy和AD7401A器件設計的測量應用的典型信號鏈。

太陽能光伏逆變器系統

太陽能光伏逆變器轉換來自太陽能電池板的電力，并將這些電力有效地部署到公用電網。來自太陽能電池板的電力本質上是一個直流電流源，被轉換為交流電流，并與電網的頻率同相饋入公用電網，并達到非常高的效率水平。轉換可以采取一個或多個階段（參見圖 1）。第1級通常是DC-DC轉換，其中太陽能電池板輸出的低電壓和高電流轉換為高電壓和低電流。這樣做的原因是將電壓提高到與電網峰值電壓兼容的水平。第2級通常是將直流電壓和電流轉換為交流電壓和電流，通常使用H橋拓撲。

圖1.太陽能光伏逆變器信號鏈，ADI公司。

模數轉換器理論—AD7401A

AD7401A是一款二階Σ-Δ調制器，采用基于ADI耦合器技術的片內數字隔離功能，可將模擬輸入信號轉換為高速1位數據流。AD7401A采用5 V電源供電，接受±250 mV（滿量程±320 mV）差分輸入信號。模擬調制器無需外部采樣保持電路，可連續對模擬輸入進行采樣。輸入信息以數據速率高達20 MHz的密度包含在輸出流中。原始信息用適當的數字濾波器（即sinc濾波器）重建。處理器端（非隔離）可以使用5 V或3 V電源（V?電子數據分析).

示例電路 – 描述

圖2.隔離電壓電路。

Σ-Δ調制器的交流輸入是交流正弦波，代表來自單相電網的220 V rms。有一個電阻分壓器，用于將輸入范圍減小到ADC的指定輸入范圍。輸入濾波器可降低輸入端的噪聲。

Σ-Δ調制器的輸出包含兩個信號：來自ADSP-CM403xy DSP處理器的高速時鐘輸入和保存調制數據的數據信號。該數據可以直接輸入到sinc3濾波器，在那里數據可以直接轉換為ADC結果。此數據的示例如下所示。

圖3.調制器示例數據。

在ADC的較低范圍內，輸入信號具有較窄的脈沖寬度，而在刻度的較高端，脈沖寬度接近其最大值。當通過sinc濾波器時，輸出數據是對角線中顯示的數據。AD7401A可在高達891 V單極性范圍或565 V雙極性范圍內工作，隔離柵為20μm聚酰亞胺。有關此方面和各種認證的更多信息，請參見相關數據表。

ADSP-CM403XY 辛克3外設模塊

圖4.ADSP-CM403 SINC外設框圖。

框圖顯示了四個sinc濾波器對（sinc0–sinc3）、兩個調制器時鐘源和兩組控制寄存器（單元）。該模塊接受來自 GPIO 輸入引腳的四個 Σ-Δ 位流，并將兩個調制器時鐘源定向到 GPIO 輸出引腳。脈寬調制（PWM）信號同步調制器時鐘，以優化系統性能。每個sinc濾波器對包括初級濾波器、次級濾波器、DMA接口和過載限值檢測功能。主 sinc濾波器使用 DMA 將其數據傳輸到內存。次級sinc濾波器產生過載信號，這些信號可通過觸發路由單元（TRU）進行路由，以觸發PWM調制器跳閘并產生中斷。

使用AD7401A時，該器件的額定抽取率（DR）為256。但是，可以在其他抽取率下使用此設備。

對于DR=256，sinc3濾波器的響應如下圖5a和5b所示。

圖5.（a） Sinc3抽取率=256和（b）模塊本底噪聲。

數字濾波器

sinc濾波器具有傳遞函數，該傳遞函數適用于數字邏輯中的實現，使用一系列求和和抽取函數。濾波器的目的是去除調制器采樣時鐘并恢復采樣信號的數字值。濾波器設計與雙極性Σ-Δ調制器匹配，50 V輸入的脈沖密度為0%，正輸入的脈沖密度超過50%，負輸入的脈沖密度小于50%，如圖6所示。

圖6.ADSP-CM403 SINC濾波器框圖。

數字濾波器是一組由調制器時鐘（M_CLK）驅動的累加器，后跟一組由抽取時鐘（D_CLK）驅動的微分器。輸入累加器將輸入位流轉換為多字節字，而輸出微分器得出位流的平均密度。

累加器和微分器級的數量可以是三個或四個，具體取決于濾波器的順序。濾波器的直流增益和帶寬是濾波器階數（O）和抽取率（D）的函數，抽取率是調制器與抽取時鐘的比值。sinc濾波器的傳遞函數由累加器和微分器的傳遞函數的乘積產生，在z域中由下式給出

對齊 PWM 和 Sinc 數據

sinc外設模塊和PWM本質上在ADSP-CM403的同一系統時鐘上運行，典型值為100 MHz。PWM和sinc可以同步，以便數據可以在與控制算法一致的適當時間和速率下可用。這通常與PWM電平波形對齊。下圖顯示了使用 sinc輸入與電網同步所需的時序示例。當PWM以20 kHz （50μs）運行時，PWM_SYNC信號（同步PWM模塊或來自不同DSP的外部PWM需要）位于PWM波形的中心，很少發生開關。為了對齊sinc數據，AD7401A的時鐘速率應設置為10.24 MHz，抽取率為256（在AD7401A數據手冊中指定）。由此產生的 16 位字速率為 40 KHz （50μs）;PWM頻率的兩倍。如下圖所示，由于sinc也可以設置為與PWM_SYNC輸出對齊，因此sinc現在每個PWM周期將產生兩個數據輸出。輸出字將以SRAM格式在下一個PWM_SYNC信號中可用。這清楚地表明sinc數據可用于電網同步算法控制。

圖7.ADSP-CM403中PWM和SINC外設的對齊。

審核編輯：郭婷