芯动神州ADCS16162在继电保护装置中的工程价值

　　继电保护装置的模拟前端，长期沿用一套成熟做法：每一路电压、电流各配一组运放缓冲、电阻分压和钳位二极管，再分别送进多片模数转换器。装置只处理三相电压与三相电流时，这套做法还能收敛。一旦把零序电流、零序电压、母线电压、备用通道与电源自检通道一并算进来，通道数会逼近16路，前端器件数量、板面面积与通道一致性同时吃紧。更棘手的是同步性。多片ADC各按自己的触发时刻采样，录波到手的各路波形其实落在不同的时间点上，而保护算法要的恰恰是“同一时刻”的电气量快照。芯动神州推出的ADCS16162是一颗16位数据采集芯片(DAS)，正是针对这一规模的多通道采集场景设计的。

　　一组参数，对应保护装置的三个约束

　　ADCS16162把16个输入通道分为A、B两组各8路，片内为双路16位SARADC结构，两组同步采样(同一对A/B通道在同一时刻定格)。输入为真双极性±10V、±5V、±2.5V三档，可逐通道由软件配置，也可由硬件引脚统一设定。片内集成1MΩ输入缓冲、模拟输入钳位保护、一阶巴特沃兹抗混叠滤波器、2.5V基准电压源与基准缓冲，5V单模拟电源供电，80引脚LQFP封装。整片总吞吐率为2MSPS。±10V量程下信噪比90.5dB(±5V量程88.7dB，±2.5V量程86.8dB)，同一量程下总谐波失真典型值为−104dB(±5V量程为−101dB)。积分非线性典型值±1LSB、微分非线性最大±0.99LSB，模拟输入通道ESD额定值8kV，整片功耗150mW。

　　同一时刻，还是同一时间段

　　保护算法对采样时刻的敏感度，高于对幅值精度的敏感度。距离保护由电压与电流的相量比推算测量阻抗，差动保护靠两侧电流的相位关系区分区内区外故障。同一相的电压与电流之间只要存在固定时延，相量比就会带上一份系统性的角度偏差，而这份偏差无法靠后续的数字滤波补回来。把每一相的电压与电流分别接到同一对A/B通道上，ADCS16162的两个通道是同时采样的。手册给出的双路同步对相位延迟匹配典型值为4.4ns(±10V量程;±5V为4.7ns，±2.5V为4.1ns)，该指标的温漂为±0.55ns/°C。折算到50Hz工频，4.4ns对应约0.00008°的相位误差，在装置的误差预算里可以直接忽略。不同通道对之间的时间关系由片内序列器决定。突发模式下，控制器只需发出一个CONVST脉冲，芯片内部会自动生成后续转换触发，把8对通道依次转换完毕，一帧完整的16通道扫描约需14μs。也就是说，一帧故障录波里所有电气量的时间离散度不超过十几微秒，对应50Hz下约0.25°。若改用逐对触发，每次转换之间需要留出5μs以上的间隔以等待BUSY信号释放，8对通道累加接近40μs。这部分时间还取决于控制器软件的响应抖动。

　　故障瞬间，前端不能被故障本身打坏

　　保护装置面对的信号条件比一般采集系统苛刻得多。电流互感器一次侧发生短路时，二次侧可能出现远超额定的瞬时电压;开关柜与户外箱体内的浪涌、静电放电和共模干扰又是常态。ADCS16162的模拟输入钳位电路允许−16V至+16V的输入过压。在5V单电源供电的条件下，每一路都不需要再外接保护二极管。手册同时给出一条容易被忽略的约束：模拟输入通道上应串联电阻，把过压时的电流限制在±10mA以内;与之对应的接地通道上必须配一只相同的电阻，否则该通道会出现失调误差。现场信号在进入ADC之前还有一级片内滤波。一阶巴特沃兹抗混叠滤波器的−3dB拐角频率为39kHz(±10V量程)与33kHz(±5V及±2.5V量程)，开关动作产生的中频噪声在转换之前已获衰减，前端不必再外挂滤波级。装置的可用性还取决于它能否自证状态正常。芯片设有片内诊断通道，序列器可以把VCC与ALDO作为转换对象插入扫描序列，让控制器周期性核对电源轨电压;数据链路上可选循环冗余校验(CRC);配置过程中若自检失败，自检错误标志(SDEF)会被置起并提示复位。工作温度范围−40°C至+125°C，覆盖开关柜与户外箱体的温度条件。RESET引脚拉低超过1.2μs即进入关断模式，此时典型功耗(电流)降至78μA，完全复位后需等待约15ms才可启动转换。

　　既要看清基波，也要看清谐波

　　保护算法通常要从同一个波形里同时提取基波相量与2次至13次谐波。基波幅值可能接近满量程，各次谐波却往往只有基波的百分之几，这对前端的动态范围提出了要求。片内数字滤波器提供2至128倍过采样，用采样率换取信噪比：

　　代价是带宽收窄。OSR取64时，−3dB带宽降到7.2kHz，仍足以覆盖50Hz系统的2至13次谐波。对需要高精度相量测量的场合，这是一笔划算的交换。量程侧的匹配同样直接。电压互感器与电流互感器的二次侧输出多在±10V或±5V量级，三档输入范围可按通道独立设定。同一颗芯片上既能接±10V的电压通道，也能接±5V的电流通道，不必为不同量程各配一套分压网络。1MΩ输入阻抗不随采样率变化，对互感器二次侧的负载效应保持恒定，这对交流功率测量的相位一致性尤为关键。

　　一颗芯片，覆盖一台保护装置的全部模拟量

　　一台低压配电保护或馈线终端(FTU)、配电终端(DTU)装置，典型模拟量清单是三相电压、三相电流、零序电流、零序电压，再叠加母线电压、备用通道与电源自检通道，通道数落在12至16路之间。ADCS16162的16个通道刚好覆盖这一规模，不必在通道数上做取舍。精度档位同样对得上。配电自动化对测量精度的典型要求是0.2级，幅值误差上限为读数的0.2%，对通道间相位一致性也有明确约束。前述4.4ns的同步对相位失配与±0.55ns/°C的漂移，为这一精度目标留出了充足裕量;90.5dB的信噪比折合约14.7位有效位数，也高于0.2级测量所需的水平。装置形态上，一颗80引脚LQFP承接了原本分布在整块采集板上的缓冲、分压、滤波与基准电路，模组级的板面与器件数随之收敛。对需要装进环网柜、柱上开关箱的配电终端而言，这一点往往比参数表上的数字更有分量。

　　从设计导入到批量供货

　　继电保护装置的生命周期通常以十年计。前端器件一旦进入设计，就要跟随装置走完整个认证与量产过程。ADCS16162在国内量产，本地FAE团队可以直接参与原理图评审、输入范围配置、序列器设置与SPI时序调试，把问题解决在装置送检之前，不必经由跨境支持通道排队等待。一次触发，定格全部电气量。保护算法的输入，不该再需要在时间轴上做补偿。