在斷路器應用中，置于微控制器（MCU）內部或外部的逐次逼近寄存器模數轉換器（SAR ADC）更適合Δ-Σ模數轉換器，原因是它們的啟動時間更快。然而，Δ-Σ模數轉換器為內部PGA（可編程增益放大器）提供了更高的動態范圍和更高的分辨率，并消耗更低功耗。

Δ-Σ模數轉換器在啟動期間具有?100毫秒的啟動時間，這限制了它們在斷路器中的應用。具有更快啟動時間的Δ-Σ模數轉換器是解決之道。更高分辨率的Δ-Σ模數轉換器減少了空氣斷路器（ACB）不同型號所用的硬件數量，并縮短了設計周期。

空氣斷路器參考設計（TIDA-00661）的高分辨率快速啟動模擬前端重點解決關鍵的斷路器要求。您還可以在塑殼斷路器（MCCB）的設計解決方案中使用部分或全部解決方案。

用于低電壓應用的空氣斷路器

圖1：高達6300A的SACE Emax 2空氣斷路器

住宅、商業及工業配電系統采用帶集成電子脫扣器（ETU）的空氣斷路器保護負載側。

ACB中的ETU

ETU提供測量信息，也提供下列功能，如：

快速啟動 – 脫扣裝置必須正常運行，并在<5ms時開始采樣模擬輸入。

基于MCU的真有效值測量。

電流（X 5）和電壓（×3）測量。

關合電流脫扣器。

功率測量。

自供電的前提是相電流為額定電流（In）或輔助電源（直流輸入）的> 20％至25％。

關于ETU功能的詳細說明，請參閱該參考設計庫的設計指南第1.3.1節。

  ACB功能：關合電流脫扣器

空氣斷路器防止配電系統/負載過載負荷、短路或接地故障。空氣斷路器的額定電流承載能力已做出規定；額定電流變化范圍為200A至6,300A。在過載或短路情況下，斷路器脫扣的吸動電流可以設置為10-15倍于額定電流，最高等級可達100kA。因為斷路器承載大電流，它們必須防止閉合時出現故障。這種保護功能被稱為關合電流脫扣器（MCR）。

若合閘操作期間，電流超過短路或瞬時吸動電流設定值，在MCR功能會使得ACB脫扣。 若試圖關閉高于額定接通容量的短路故障電流（50kA，63KA或100kA，取決于應用程序、型號），MCR也會使得ACB脫扣。

取決于制造商，指定的斷路時間為30到50ms之間。斷路時間包括采樣輸入電流，并處理樣本以向螺線管提供脫扣命令，這斷開故障電流。這項規定限制了您的DC / DC轉換器，MCU和ADC選擇。

  參考設計特性

該參考設計包含一個帶模數轉換器的AFE板和帶MCU和電源的接口板。它也具有一個用于ETU的信號處理前端，與模數轉換器一起使用。本設計使用一個高分辨率Δ-Σ模數轉換器用于測量指定精度范圍內的寬電流和電壓輸入；該模數轉換器可以測量多達八個帶24位分辨率的同步輸入。帶MSP430™MCU的ADC接口用于模擬輸入處理。

該設計通過整流電流輸入或輔助直流輸入電源供電。它提供了兩種基于功率要求的選擇，以產生正負電源，一個使用LM5017，另一個使用在Fly-Buck™模式中配置的LM5160。

設計特點包括：

三個電壓和五個電流輸入接到帶快速啟動（<3毫秒）的八通道、同步采樣、24位ADS131E08S Δ-Σ模數轉換器。

在±1％范圍內，測定動態范圍≤500的AC電流輸入，具有固定PGA增益。

在±1％范圍內，測定10-900V的交流電壓輸入，具有固定PGA增益。

在Fly-Buck轉換器配置中的DC / DC轉換器用來生成電源輸出。

子系統配置用于2W或8W功率輸出。

  參考設計優勢

ADS131E08S基于Δ-Σ模數轉換器參考設計滿足了空氣斷路器的一些關鍵要求，如：

快速啟動：當電源出現故障時，空氣斷路器被指定在30-50ms范圍內脫扣。時間包括系統加電、交流輸入電流的測量和斷開故障電流。

寬輸入測量：對于給定的電流斷路器額定值，故障電流輸入范圍從0.3-15 In（額定電流）不等或以上。斷路器有多種額定電流可用。高分辨率模數轉換器確保將相同的ETU用于多個電流額定值或全部未更改硬件設備的電流額定值。類似地，相同的ETU可用于簡化硬件設計和測試的多個電壓等級。寬輸入電壓測量是通過可設置為2.4V或4V的高分辨率ADC，PGA和參考實現，從而提高了動態范圍。

電壓和電流輸入的精確測量：輸入電流的精確測量確保可重復脫扣時間性能用于保護和精確測量計量的不同參數。精確測量通過高分辨率ADC、內部PG和內部基準實現。

更高的可靠性和溫度性能：參考和PGA集成減少了外部元件的需求，改進了溫度性能，并提高可靠性。

表1列出了參考設計的各個子系統啟動延遲。

子系統

表1：ACB ETU TI設計的啟動延遲

已測試該參考設計在寬泛的電流??和電壓輸入范圍的電壓和電流精度性能。通過1個周期的測量實現±0.5％精度（每個周期80樣本@ 4000樣本用于50Hz輸入）。請參閱參考設計的設計指南第8節內容。

  概述

基于ADS131E08S基于Δ-Σ模數轉換器的參考設計TIDA-00661使用Δ-Σ模數轉換器解決了空氣斷路器的關鍵系統設計挑戰，并提高了半個周期或一個周期測量的測量精度。它配備了設計指南、Altium的原理圖和印刷電路板（PCB）文件、組裝文件和物料清單（BOM）加快您的設計進程。

其他信息：

查看TI完整的Δ-Σ模數轉換器產品組合。