Electrónica: NOTA DE APLICACIÓN 5292 Filtros externos para las entradas analógicas de circuitos integrados de medición

Resumen: Esta nota de aplicación analiza las formas de reducir los efectos secundarios adversos, tales como la interferencia y errores, en la cartera de Maxim Teridian ™ ICs de medición de energía. Después de revisar brevemente las entradas ADC, este artículo describe el efecto de diferentes condensadores y resistencias en circuitos integrados de medición, así como el uso de perlas de ferrita para reducir la susceptibilidad de RF.

Introducción

Esta nota de aplicación discute el diseño de filtros externos conectados a las analógicas entradas de la cartera de Maxim de circuitos integrados Teridian de medición de energía. En la mayoría de los casos, estos filtros externos serán los filtros de paso bajo que ayudan a rechazar señales de alta frecuencia, tales como el ruido de fotovoltaicosinversores . Precauciones para el diseño del filtro y selección de componentes se discuten. Siguiendo estas directrices se asegurará de que los efectos secundarios no deseados tales como la interferencia , la inexactitud en la temperatura , o el cambio de fase con las corrientes de carga se evitan.

ADC básicos Conceptos de entrada

Las entradas del ADC Teridian 71M6531 / 71M6532 / 71M6533 / 71M6534 familia de circuitos integrados se multiplexan a un no tamponada, red de conmutación de condensador. Figura 1 muestra un circuito simplificado ideales equivalente de esta red cuando los interruptores multiplexados están cerrados en una entrada. Hay dos relojes (θ1 θ2 y) de conducción de los interruptores (P1 y P2) que son 180 grados fuera de fase.

Figura 1. Simplificado circuito equivalente de una red conmutada condensador de entrada.

Cuando se cierra P2, P1 se abre y el condensador (C) cargos al nivel de entrada de V _EN . Lo contrario ocurre cuando P2 se abre y se cierra P1, es decir, la carga se transfiere a la capacitancia del filtro FIR representado como V _OUT .Debido a que la frecuencia de los relojes es de aproximadamente 5 MHz, la transferencia idealmente debe ocurrir dentro de aproximadamente 2 / (5MHz). Maxim recomienda el uso de un condensador 1000pF en las entradas de ADC para actuar como una "carga" reservorio para facilitar esta transferencia. Además, Maxim recomienda el uso de una resistencia en serie en las entradas de corriente de fase de ADC para equilibrar la resistencia de terminación de 750Ω en la cadena de la resistencia de divisor de tensión de fase. Maxim utiliza 750Ω resistencias en los tableros de demostración como se ilustra en la Figura 2 .

Más de la imagen más detallada. (PDF, 304KB) Figura 2. Los circuitos de tensión de demostración bordo y la corriente de entrada.

La figura 3 muestra los efectos de los componentes en el circuito de conmutación equivalente condensador. Se incluye la impedancia de la entrada del multiplexor y conmutadores P2.

Figura 3. Red de conmutación de condensador con entrada de RC.

Véase la Ecuación 1 para el voltaje en el condensador conmutado (C) cuando se cierra P2 y P1 está abierto. El objetivo del diseño es para VC a resolver, de aproximadamente 5 tau antes de que el interruptor se cierra P1. Si no se estabiliza, el efecto se convierte en una ganancia de desplazamiento en el A / D de canal. Esta ganancia de compensación puede ser compensada por la calibración magnitud, siempre que el desplazamiento no exceda de un factor de dos (es decir, el intervalo de la CAL_Ix y CAL_Vx).

Ecuación 1.
(Ec. 1)

Un filtro de paso bajo, si se necesita o se desea, puede sustituir a la resistencia de equilibrio y el condensador depósito. Los conceptos de la condensador conmutado de entrada de red ADC se discutió anteriormente contribuyen a la comprensión de la selección de esta resistencia y los valores de condensadores de precisión ADC.

Selección del tipo de condensador

Dependiendo del uso del componente, el tipo de condensador seleccionado puede ser un factor importante. Si el condensador se comporta como un condensador de depósito para facilitar la transferencia de carga en la red conmutada condensador, a continuación, utilizando un condensador X7R tipo es aceptable. Este condensador depósito, que utiliza los valores recomendados Maxim (1000pF y 750Ω), y la resistencia de la impedancia de equilibrio comprenden el filtro de paso bajo. Este filtro de paso bajo se forma un punto de 212kHz, la frecuencia 3dB que tiene una influencia muy pequeña en la respuesta de frecuencia de interés, típicamente hasta la armónica 20a de la frecuencia fundamental.

Si un anti-aliasing de filtro o un filtro para rechazar ruidos de frecuencia superior se está utilizando (por lo general un filtro de paso bajo), estos tipos de filtros se forman típicamente un punto más bajo de frecuencia de 3 dB de ganancia que afecta a la frecuencia fundamental y la fase. En estos casos, la selección de los componentes del circuito es más crítica.

Por sus características, un condensador de NPO tipo sería una mejor opción para el condensador. Es más estable en las temperaturas de un condensador X7R tipo, normalmente de ± 30 ppm / ° C frente a ± 15% (± 883ppm / ° C por encima de -55 ° C a +125 ° C). Además, las características de frecuencia de CA de baja tensión y del condensador NPO-tipo son mejores que el condensador X7R tipo.

La figura 4 muestra el efecto de una señal de 50 Hz, amplitud pequeña en tanto la NPO-tipo y condensadores tipo X7R-. Los condensadores de tipo NPO que se probaron tener respuestas casi idénticas, pero los condensadores de tipo X7R-muestran un coeficiente de tensión. Este cambio de capacitancia es una fuente de imprecisión en Wh durante fase como los cambios de carga del medidor de corriente.

Figura 4. El efecto de una señal de amplitud 50Hz en NPO-tipo y condensadores tipo X7R-.

La figura 5 muestra esta imprecisión como un porcentaje de cambio de la capacitancia. Para ilustrar este efecto, tenga en cuenta una típica 200A _RMS metros el uso de transformadores de corriente (TC) que ha sido calibrado en 30A _RMS para la magnitud y la fase a la temperatura ambiente. Si el voltaje de CA de un sensor de CT con una resistencia de carga en la corriente de entrada ADC es 0.177V _RMS en 200A _RMS , entonces el voltaje de CA de un 200A _RMS metro calibrado a 30A _RMS es 0.027V _RMS . El cambio de capacitancia es de aproximadamente 1,5 %.Esta diferencia se convierte en un desplazamiento de fase no compensada en los canales actuales y una fuente de imprecisión en las lecturas de Wh cuando el factor de potencia (PF), cambios de 1,0 a 0,5.

Figura 5. La inexactitud debido a la deriva de capacitancia.

Finalmente, el condensador NPO-tipo tiene mejores características de envejecimiento que el condensador X7R tipo.Figura 6 muestra que la capacitancia X7R disminuye con el tiempo. Esta disminución se debe a la relajación o realineamiento de los dipolos eléctricos dentro del condensador. El condensador de tipo NPO no experimentan este fenómeno.

Figura 6. Los efectos de los condensadores de envejecimiento.

Selección del tipo de resistencia

El tipo de resistencia seleccionada por tanto la resistencia de equilibrio o el filtro de paso bajo no es tan crítica como el tipo de condensador seleccionado. Una resistencia de 1% puede ser utilizado tanto para la resistencia de equilibrio y el filtro de paso bajo coste ya que estos son generalmente bajos y sus tolerancias son compensados durante la calibración magnitud. Debe tenerse cuidado para seleccionar el mejor coeficiente de temperatura para el filtro de paso bajo para reducir las imprecisiones en la precisión Blanco sobre la temperatura.

RF filtros de rechazo

Uno de los mayores desafíos que enfrenta diseño del medidor es la susceptibilidad de RF. Con la llegada de más dispositivos de radio de gran alcance para la lectura automática de medidores (AMR) en el medidor de potencia, los campos de RF en las proximidades de los circuitos integrados de medición han aumentado más allá de los niveles que figuran en las normas de medición. Para rechazar estos campos de RF, los diseñadores de muchos metros de utilizar cuentas de ferrita esencialmente a "quemar" la energía de RF.

El enfoque típico es colocar cuentas de ferrita en los puntos en la fase de voltaje y las corrientes de fase entran en las placas de circuito impreso (PCB) para "quemar" la energía de radiofrecuencia antes de que pueda entrar en cualquier circuito. Sin embargo, no parece haber una tendencia de diseño de la colocación de cuentas de ferrita más abajo en la línea y en algunos casos, a la derecha en la entrada del ADC de los circuitos integrados de medición.Esta tendencia puede ser debido a la energía de RF todavía entrar en los circuitos de la placa debido a la posición de la antena.

Maxim ha encontrado que la colocación de la perla de ferrita directamente en serie con la entrada del ADC del 71M653X provoca imprecisiones en las lecturas de Wh más de temperatura. Estas imprecisiones son causadas por la interacción de la inductancia ferrita con la red de condensador conmutado. La perla de ferrita se modela como una inductancia y una resistencia . Figura 7 muestra el circuito equivalente simplificado de la red de condensador conmutado, que incluye un modelo de núcleo de ferrita.

Figura 7. Simplificado circuito equivalente de la red de condensador conmutado con ferrita.

Cuando se cierra P2 y P1 está abierto, el modelo se convierte en un circuito RLC clásico. Ecuaciones 2, 3 y 4 muestran los cálculos de bucle de corriente para este circuito.

Ecuación 2.
(Ec. 2)

Donde

Ecuación 3.
(Ec. 3)

Y el factor de amortiguamiento es

Ecuación 4.
(Ec. 4)

El valor del factor de amortiguamiento determina el comportamiento de la corriente.

Si δ es decir> 1, más de amortiguamiento, a continuación, calcular

Ecuación 5.
(Ec. 5)

Si δ = 1, es decir, crítica amortiguada, a continuación, calcular

i (t) = D _un te ^{- α t} + D ₂ e ^{- α t}
(Ec. 6)

Si δ es decir, <1, en virtud de amortiguamiento, a continuación, calcular

i (t) = B ₁ e ^{- α t} (cosω _d t) + B ₁ e ^{- α t} (sinω _d t)
(Ec. 7)

Ecuación 8.
(Ec. 8)

Para calcular el valor del factor de amortiguación, la L y R de la ferrita en la frecuencia de la señal necesita ser determinado. Figura 8 muestra las características de la BLM15HD102SN1D Murata como un ejemplo. La L es de aproximadamente 1μH y R = 0.1Ω (utilizar la resistencia de CC para esta discusión) en el rango de 50Hz a 60Hz.

Figura 8. Ejemplos de características para calcular el valor del factor de amortiguación.

Con estos valores y R _SW = 50O, el factor de amortiguamiento es de 0,08, es decir, bajo amortiguado. Figura 9 muestra la respuesta en descomposición oscilatorio de este bajo respuesta amortiguada en la señal de fondo.

Figura 9. Conmutada tensión del condensador con núcleo de ferrita en la entrada del ADC.

En la Figura 9 , la entrada de una sola terminal ADC es 0.25V. El rojo es señal de P1. El azul de la señal es el voltaje a través del condensador conmutado (C) con L = 1μH, R = 0.1Ω, R $ _SO = 50Ω, y C = 10pF. El verde es la señal de voltaje a través del condensador conmutado (C) con L = 2μH, R = 0.1Ω, R $ _SO = 50Ω, y C = 10pF.

Tenga en cuenta que cuando el valor de L cambios en la temperatura de 1μH a 2μH, los cambios de respuesta. El valor resultante de desplazamiento es diferente de lo que era magnitud compensada a temperatura ambiente y se produce una inexactitud en las lecturas de Wh incluso a PF = 1. Debido a este efecto, Maxim no recomienda colocar ferritas directamente en serie con la entrada del ADC.

Si se utiliza una perla de ferrita cerca de la medición CI, Maxim recomienda colocar antes de la resistencia de equilibrio y condensador de depósito (véase Figura 10 ).

Figura 10. Recomendado colocación de ferrita cerca de la entrada ADC.

La figura 11 muestra el efecto de esta colocación en la parte superior de la señal. La respuesta amortigua rápidamente antes de que P1 está cerrado. Un método alternativo sería colocar una resistencia entre la perla de ferrita y la entrada del ADC y para cambiar el factor de amortiguamiento.

Figura 11. Tensión conmutada condensador con núcleo de ferrita y RC en la entrada del ADC.

En la Figura 11, la entrada de una sola terminal ADC es 0.25V. La señal roja es P2. La señal azul es el voltaje a través del condensador conmutado (C) con L = 1μH, R = 750Ω, y C = 1000pF.

Conclusión

Debido a la red de conmutación sin búfer condensador, se debe tener cuidado al seleccionar los componentes para los filtros que se interconectan con las entradas ADC de la cartera de Maxim de los circuitos integrados de medición de energía Teridian. La selección adecuada evitará efectos secundarios tales como la interferencia, la inexactitud en la temperatura, o inexactitud, debido a desplazamiento de fase adicional sobre las corrientes de carga.

Teridian es una marca comercial de Maxim Integrated Products, Inc.