ZHCA929A November   2018  – September 2024 ADS8578S , ADS8584S , ADS8586S , ADS8588H , ADS8588S , ADS8598H , ADS8598S

 

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输入 ADC 输入 数字输出 ADS7042
VinSEMin = –10V CH_x = –10V 8000H
VinSE = 0V CH_x = 0V 0000H
VinSEMax = +10V CH_x = +10V 7FFFH
电源
AVDD DVDD 有效输入 Vnormal 过压输入 Vstressed
5V 3.3V ±10V

设计说明

对于智能电网市场中的保护继电器应用，诸如 ADS8588S 之类的同步采样 ADC 广泛用于维持不同电压和电流之间的相位信息。这些系统的工作环境非常苛刻，并且信号链上可能出现幅度高达 ±30Vpk (60Vpp) 的不良信号。因此，保护 ADC 输入免受过压损害并保持良好性能非常重要。本文档介绍如何设计过压保护，并说明过压信号对相邻通道的性能影响。最后将比较德州仪器 (TI) 器件和引脚对引脚兼容型竞争对手器件之间的性能影响结果。

规格

规格 计算值 测得值
60Vpp 过压 最大输入电流 = 1mA SNR 和 THD 性能和过压馈通

设计说明

  1. 使用 COG 型电容器作为 CEXT 滤波电容器。
  2. 观看电气过载 视频系列，了解放大器过载的理论解释。虽然该部分介绍的是放大器，但其中的理论也适用于数据转换器。

元件选型

  1. 查找 Rext(min) 以将电流限制为小于 1mA。流入 ADS8588S 输入引脚的建议最大电流为 ±10mA，这一电流值是基于 ADC 内部结构的普遍要求值。此 10mA 电流是绝对最大限制值，最好在该数值附近留有一些余量，建议限制电流小于 1mA。在此示例设计中，最小外部电阻为 15kΩ。
  2. 选择 Rext 或 Cext 以将输入滤波器的带宽设置为所需频率。根据应用的不同，可能需要不同的截止频率。在此示例中，为适应 50Hz 信号的 128 次谐波，截止频率必须为 6.4kHz。此示例还需要 1nF 电容器，因为 1nF 是常见的工业输入滤波器电容值。应用公式后，外部电阻器 (Rext) 确定为 24.9kΩ。请注意，在该步骤中计算出的外部电阻器大于步骤 1 中的最小电阻值（即 Rext > Rext(min)）。

测试设置

在具有多通道器件的实际应用中，可能一个通道上施加了过压信号，而其他通道上有有效信号。在此示例中，希望在有有效信号的通道上实现良好的性能，同时保护通道免受过压信号的损害。本指导手册文档中的测量均通过施加到通道 1 的过压信号和施加到其他通道的有效信号完成。所有输入均使用“组件选择”中设计的电路予以保护。下图显示了测试设置。

器件保护

下图显示了 ADS8588S 内每个模拟输入通道的简化电路。在 8 个模拟输入通道的每一个通道上设计了一个内部钳位保护电路，它允许每个模拟输入摆动高达 ±15V 的最大电压。如果输入电压超过 ±15V，内部输入钳位电路会开启。进一步增加过压信号将导致保护电路中的电流升高（请参阅 ADS8588S 采用单电源并具有双极性输入的 16 位高速 8 通道同步采样 ADC 数据表中输入钳位保护电路的 I-V 曲线）。高输入电流可能具有破坏性，降低甚至破坏 ADC 器件。这就是我们将电流限制在 1mA 以下的原因（请参阅“组件选择”部分）。发生故障事件时，钳位保护电路将开启，并将输入电压限制在大约 15V，而将电流限制在 1mA 以下。

过压条件下的 ADC 输入 (AIN_P)

下图显示了施加 ±30Vpeak 过压信号时的 ADC 输入电压。请注意，钳位将开启并把 ADC 输入限制为 ±15Vpeak。为保护 ADC 免受损坏，外部电阻器 REXT 会将电流限制在 1 毫安以下。

内部输入钳位保护电路的 I-V 曲线

下图显示了内部钳位的 V-I 曲线。请注意，对于 ±15V 范围内的输入电压，钳位将保持关闭状态且泄漏非常低。而当电压超出 ±15V 范围时，它将开启并进行限制。

SNR 和 THD（通道 1 = 过压）

以下几个图采集了在通道 1 上施加 ±30Vpeak (60Vpp) 电气过载信号并且其余通道连接到有效输入信号（1kHz、–0.5dBFS 正弦波）时的数据。具有有效输入信号的通道的 SNR 和 THD 是通过施加到通道 1 的过压信号来测出的。该测试针对 ADS8588S 以及引脚对引脚兼容型竞争对手器件进行。请注意，ADS8588S SNR 和 THD 不受故障信号的影响，即使受到影响，影响也很小。另一方面，竞争对手器件的 SNR 和 THD 性能在很大程度上受故障信号的影响。请注意，该电路也使用 ±15Vpeak、±18Vpeak、±21Vpeak、±24Vpeak 和 ±27Vpeak 信号进行了测试。正如预期的那样，较大的过载信号会产生最坏情况的结果。

这是 SNR 和 THD 测量的延续，其中将 ±30Vpeak (60Vpp) 故障信号应用于通道 1，并将有效输入信号应用于其他通道的性能验证。

故障信号馈通到其余通道

以下几个图采集了在通道 1 上施加 ±30Vpeak (60Vpp) 电气过载信号并且其余通道悬空时的数据。我们使用示波器来测量过压信号到悬空通道的馈通。请注意，对于通道 2，ADS8588S 和竞争对手器件是类似的。在其余通道（CH3 至 CH8）上，ADS8588S 的馈通远小于 TI 器件。这一情况明显表明，对于 ADS8588S，当系统中的一个通道出现过压故障时，具有有效输入信号的通道的运行不会受到显著影响。相反，对于竞争对手器件，所有通道都受到故障的不利影响。请注意，该电路也使用 ±15Vpeak、±18Vpeak、±21Vpeak、±24Vpeak 和 ±27Vpeak 信号进行了测试。正如预期的那样，较大的过载信号会产生最坏情况的结果。

这是馈通测试的延续，表明具有有效输入信号的 ADS8588S 通道不受故障通道的影响。

设计中采用的器件

器件 主要特性 链路 其他可能的器件
ADS8588S 16 位、8 通道同步采样、双极性输入 SAR ADC 采用单电源并具有双极性输入的 16 位高速 8 通道同步采样 ADC 精密 ADC
REF5025 低噪声、低漂移、高精度电压基准 2.5V、3µVpp/V 噪声、3ppm/°C 温漂精密串联电压基准 串联电压基准