一二次深度融合用电子传感器的工程应用

国家电网公司在2016年末提出的“配网自动化终端DTU/FTU需要考虑一二次设备融合的需求和考虑采用电子式互感器来取代传统的电磁式互感器”的总体思路成为了现阶段几乎所有配网自动化终端生产企业的研究对象。

本文主要针对10kV柱上断路器内置电子传感器的输出信号采样在实际工程应用中出现的若干问题进行分析，并提出解决方案。

1 一二次深度融合成套设备工程应用中遇到的问题

某一客户现场挂网运行的线路保护装置采用一二次深度融合成套设备，10kV柱上断路器内置电压、电流电子传感器，电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器（LPCT），电压传感器采用电容分压式传感器（CVT），控制单元采用基于无源电子传感器的智能馈线终端（FTU）。

在设备挂网运行一段时间中出现以下故障：①设备报“后备欠压”及“电压采样错误”报警，三相电压采样值为：Ua：14593V，Ub：5302V，Uc：5681V，零序电压U0：2604V；②FTU电流采样端子断开输入电缆，零序电流I0显示6.5A；电缆接入电流输入端子后，I0显示为0。

针对上述情况，用万用表在传感器输出口测试电压、电流输出数值均正常。现场挂网运行设备的交流采样部分原理框图如图1所示。

图1 现场FTU交流采样电路示意图

2 问题分析

根据第1节的现场描述可以判断电子传感器及AD芯片等后级电路是正常工作的，那么故障就发生在交流信号的保护电路和调理电路。

图2所示为三相电流采样电路。将样机的电流信号线对机壳施加500V工频电压时未通过，信号线对机壳施加GB/T 15153.1中规定的浪涌4级及GB/T 17626.4中规定的电快速瞬变脉冲群干扰4级时均未通过。

如图2所示分析，电流信号输入端采用压敏电阻10K390抑制差模及共模干扰，抑制共模干扰的压敏电阻存在动作电压低，信号线对机壳承受的耐压较低以及EMC浪涌试验通不过等问题。

图2 三相电流采样电路

电子式电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器，自带线圈隔离，可以避免因一二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差；但电子式电压传感器从10kV母线通过低压臂电容分压到FTU的信号输入间完全没有隔离措施，这将引起：①高压一次侧引入二次侧；②因一、二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差。

2.2 三相电压、零序电压及零序电流采样电路分析

如图3所示为三相电压、零序电压及零序电流采样电路。信号输入端保护采用压敏电阻10K390及TVS。但由于10K390的动作电压为39V，存在同图2一样的问题。

图3 交流电压及零序电流采样电路

根据运放“虚短”、“虚断”：

表1 TVS存在时测试结果

表2 TVS去除时测试结果

此外，零序电流由于信号幅值较小（额定值0.2V），易受高频、接地及工频干扰，造成输入端悬空时零序电流有数值显示。

3 解决方案

为了解决上述电磁兼容及交流采样不准等问题，保证测量精度及可靠性，本文从信号的传输、隔离以及AD转换方面提出解决方案，其中隔离方式提出两种方案。

3.1 双绞屏蔽线长线传输

信号在传输过程中会受到电场、磁场和地电位等干扰因素的影响，因此，对于电子传感器模拟小信号而言，为了获得更好的信号质量，建议采用双绞屏蔽线。双绞屏蔽线分为单屏蔽层和双屏蔽层。

双屏蔽层要求内外层绝缘，成本较高；但它对高频信号的抗干扰能力较好，在实际应用中，可将内屏蔽层在二次侧接地，外屏蔽层在一次侧接地。若采用单屏蔽双绞线，则应在接收信号的二次侧将屏蔽层单端接地。

3.2 微型互感器方案

考虑到电子式电流传感器是LPCT，自带线圈隔离，但信号需经8～15m长的电缆传输；而电子式电压传感器输出信号调理回路没有任何隔离措施，故将交采回路设计为微型互感器采集，原理框图如图4所示。

3.3 光电耦合隔离方案

如图5所示，本设计采用高速线性光耦HCNR201进行光电隔离，它具有超低线性度（0.01%）、低增益温度系数、耐压等级高（5kV）、隔离电压高（最高隔离8kV）、单向传输、抗共模干扰能力强及信号一比一线性高速传输等优点。交流电压信号经过调理后接入光耦，光耦将夹杂在输入量中的各种干扰脉冲都挡在输入侧，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

图4 微型互感器方案

图5 光电耦合隔离电路

3.4 ADC采样

输入信号为交流小电压信号，采用差分输入， AD芯片采用MAX11046，该芯片具有3s快速转换时间，高吞吐率：每个通道为250ksps，16位/14位高速并行接口，低温漂、高精度4.096V内部基准支持±5V输入范围，3.0V至4.25V外部基准范围，支持±4.0V至±5.2V满量程输入范围，满足交流模拟量输入通道需要10M以上输入阻抗匹配要求。

4 实验数据分析

以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案2中的微型互感器隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。交采回路经改进后与电子式传感器联调结果见表3。测量精度满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5% 。

但微型互感器方案在测试相位误差时发现“1V/0.35V”互感器角差为5°，“0.2V/0.2V”互感器在信号下降沿角差为2.3°，这将不满足相差不大于10′的标准规定。相角偏移是电容因素引起的，包括前面的电容分压器、传输电缆分布电容以及互感器线圈分布电容等因素，可以采取一定的补偿措施对电路的相位特性进行改善。

表3 零序电流联调测试结果

仍以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案3中的光耦隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。测量精度亦可满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5%），测试相位误差时采用示波器对比输入与输出端的波形如图6所示。

光滑曲线为输入信号，带点曲线为输出信号，由图可知，输入线与输出线基本重合，线性度较好；输入信号有效值为10mV时，输出信号有效值为9.98mV，相位误差在5′左右，满足0.5级电子式互感器对采样精度的要求。

图6 光耦隔离试验波形

结论

综上所述：①三相电压采样电路、零序电压采样电路和零序电流采样电路输入端串联的限流电阻与TVS形成分压，影响了采样精度；②电路中采用的防护器件的等级不够，对高压侧串入的干扰不能很好的防护。

鉴于此，文中采用方案1解决8～15m电缆上叠加的电磁干扰，采用方案2或方案3可以完全隔离一二次侧相互串扰问题，方案4提高AD转换的速度、精度以及高输入阻抗匹配问题。

本文采用方案1、方案3以及方案4结合设计了FTU交采回路，FTU机箱采用复合型电磁屏蔽结构及合理的接地设计。经过本设计处理后的一二次深度融合成套设备已经顺利通过电磁兼容等试验项目验证，符合国家配电自动化设备相关标准。

从摄像头开始——高级驾驶辅助系统解决方案系列介绍

近年来，随着人们对驾驶安全水平需求的不断提高，高级驾驶辅助系统（ADAS）相关技术的不断成熟，伴随着ADAS市场高速发展，摄像头的需求也更加旺盛。其应用场景也是非常多的，主要是以下几个应用场景：

倒车后视摄像头

360环视摄像头

前向摄像头

电子后视镜或流媒体后视镜

防疲劳驾驶DMS

行程记录仪

数字摄像头，主要有玻璃透镜、CMOS传感器、图像信号处理器（ISP）、电源管理、串行器、微处理器器等功能单元构成，如下图所示。但是电池保护单元一般都是在解串单元那边。同时因为数字摄像头体积非常小，选型过程中尽量需要考虑小体积、高效率的器件。

数字摄像头功能框架图

TI针对数字摄像头，有一些完整参考设计，如TIDA-01003就是汽车用100兆摄像头模组的参考设计。设计相关的原理图、PCB文件和BOM都是在TI官网公开。也借这个参考介绍一下数字摄像头模组主要功能。

TIDA-01003设计实物图

汽车1MP摄像头模组参考设计利用CMOS成像在FPD_LINK Ⅲ上提供多种未压缩的视频格式，支持8位和10位YUV42。FPD_LINK Ⅲ串化器技术可以通过同轴电缆传输视频数据，双向控制信号和电源。输入电压范围是4~36V。

下图是此参考设计的系统框图，利用加串器DS90UB913A-Q1、宽电压输入电压降压器LM53600-Q1、低输入电压降压器TPS62261-Q1、LDO LP5907-Q1 和ON的传感器及图像信号处理器（ISP）。

TIDA-01003设计系统框图

从系统功能框图可以看出，在此应用上主要有以下几大产品部分：

1、宽输入电压的降压器：把PoC传过来DC电压降为3.3V，供后级电源用，在现实使用，PoC上的电压有很大差别，从7~24V都可以1)、商用车的24V电池电压，设计中直接利用电池电压给到PoC；2）、乘用车12V电池电压系统；3)在解串单元那边就对电池电压进行稳压，有升有降，如乘用车，有的利用升降压稳在12V，有的也把电压降到9V等。因为ISO7637测试要求，12V电压输入会要求耐压36V，24V电压输入会要求耐压60V。针对性介绍几款TI的同步降压稳压器产品：

LM53600-Q1:

· 宽运行输入电压范围：3.55V 至 36V（瞬态电压最高达 42V）

· 最大电流负载：650mA (LM53600-Q1)，1000mA (LM53601-Q1)

· 提供扩展频谱选项

· 2.1MHz 固定开关频率

· 具有可湿性侧面的 10 引脚 3mm x 3mm 小外形尺寸无引线 (SON)

TPS560430-Q1(New):

· 输入电压范围：4V 至 36V

· 最大电流负载：600mA

· 2.1MHz 开关频率

· SOT-23-6 封装2.90mm × 1.60mm

· 集成同步整流，内置补偿功能，便于使用

LMR36006-Q1(New):(这个是针对24V乘用车电压，耐压要求高达60V)

· 输入电压范围：4.2V 至 60V

· 最大电流负载：LMR36006-Q1 (600mA) LMR36015-Q1(1.5A)

· 400KHz,2.1MHz 开关频率可选

· 扩频调频功能

· 2.00mm x 3.00mm VQFN-HR(12)

· HotRod™ 封装可以实现低EMI 和最少的开关节点振铃

TPS62172-Q1:(用于前端已经带稳压功能的电路)

· 输入电压范围：3V 至 17V

· 最大电流负载：500mA

· 开关频率典型值高达2.25MHz

· 2×2mm WSON-8 封装

2、低输入电压的降压器：(主要是供电压给串化器和ISP)

TPS62261-Q1:

· 输入电压范围：2V 至 6V

· 最大电流负载：600mA

· 开关频率典型值高达2.25MHz

· 2x2mm SON/TSOT23

TPS62242-Q1:

· 输入电压范围：2V 至 6V

· 最大电流负载：300mA

· 开关频率典型值高达2.25MHz

· 2x2mm TSOT23-5

3、低噪声的LDO：

LP5907-Q1:

· 输入电压范围：2.2V 至 5.5V

· 输出电流：250mA

· 电源抑制比 (PSRR)：1kHz 频率时为 82Db

· 无需噪声旁路电容

· 1.00mm x 1.00mm X2SON封装

TLV702-Q1:

· 输入电压范围：2V 至 5.5V

· 输出电流：300mA

· 高电源抑制比(PSRR)：频率1kHz 时为68Db

· 1.50mm × 1.50mm WSON封装

TLV710-Q1:(双路LDO可以同时替换LDO和低压降压稳压器)

· 输入电压范围：2V 至 5.5V

· 输出电流：550mA（双路合计最大值）

· 高电源抑制比(PSRR)：频率1kHz 时为70Db

· 1.5mm × 1.5mm SON-6封装

4、加串器

DS90UB913A-Q1:

· 25MHz 至 100MHz 输入像素时钟支持

· 可编程数据有效载荷：

a. 10 位有效载荷，高达 100MHz

b. 12 位有效载荷，高达 75MHz

DS90UB933-Q1:(相比参考设计的DS90UB913A-Q1,更推荐更高的并行时钟的DS90UB933-Q1)

· 支持 37.5MHz 至 100MHz 输入像素时钟

· 可编程数据有效载荷

a. 10 位有效载荷，高达 100MHz

b. 12 位有效载荷，高达 100MHz

· 5.00mm × 5.00mm WQFN

· 能够驱动长达 15m 的同轴或屏蔽双绞线 (STP) 电缆

DS90UB953-Q1:(MIPI CSI)（对应参考设计TIDA-020000）

· 4.16Gbps 级串行器支持高速传感器包括全高清1080p 2MP 60fps 和 4MP 30fps 成像器

· 符合 D-PHY v1.2 和 CSI-2 v1.3 标准的系统接口

a. 多达 4 条数据通道，每通道速率为 832Mbps

b. 支持多达四个虚拟通道

· 小型 5mm × 5mm VQFN 封装

· 1.8V 单电源

· 支持单端同轴或屏蔽双绞线 (STP) 电缆

在实际的产品设计中，还要需要ESD防护，电压稳定性监控，来保证传感器、图像信号处理器和加串器的稳定工作，还会额外加上ESD保护器件在差分线和电压监控在3.3V系统上。对此我们的推荐是TI如下器件：

1、ESD 管

TPD2E001:适用于高速数据接口的低电容、2 通道 +/-15kV ESD 保护阵列

2、电压监测芯片

TPS3809-Q1: 具有低电平有效推挽复位功能的汽车小尺寸3 引脚电压监控器

· 2.90 mm × 1.60 mm SOT-23(3)封装

· 2.5 V, 3 V, 3.3 V, 5 V电压监控

· 200ms 上电延迟

点击了解更多相关参考设计：

TIDA-020000：260 万像素汽车摄像头模块参考设计采用 POL PMIC、FPD-LINK III、监测器

TIDA-020003：采用/不采用 MIPI CSI-2、PMIC、FPD-Link III 视频接口技术的汽车类 200 万像素摄像头模块参考设计

TIDA-050015：针对解决方案尺寸和低噪声进行了优化的汽车 ADAS 摄像头电源参考设计

（作者：E2E社区Annie Liu）

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