隔離式ADC架構(gòu)支持帶分流器的三相電能表

統(tǒng)的三相電能表使用電流互感器 （CT） 來檢測相位電流和零線電流。CT的一個優(yōu)點是它們在數(shù)百伏特的電源線和通常連接到中性的儀表接地之間提供固有的電氣隔離。CT可以實現(xiàn)良好的線性度，并具有通過調(diào)整匝數(shù)比和負擔(dān)電阻來測量寬范圍電流的靈活性。但是，它們在電表中使用也有一些缺點。首先，CT的磁芯可以被外部直流磁場飽和?，F(xiàn)在，普通房主很容易獲得并申請篡改電表的極其強大的稀土直流磁鐵。其次，CT也可以被電力電子設(shè)備飽和，例如用于分布式太陽能發(fā)電的直接連接逆變器，這些逆變器在線路上產(chǎn)生直流電流。制造商可以通過屏蔽和使用直流耐受CT來抵消這兩種影響;然而，這增加了成本，有些人建議，對于每一個這樣的CT，人們可以找到一個永磁體來篡改它。第三，CT引入了取決于線路電流頻率的測量相位延遲。如果只關(guān)注線路電流的基波分量，則補償此延遲相對容易。然而，測量諧波含量變得越來越重要，并且很難補償基波和所有諧波組合的延遲。

其他電流傳感器在三相電表應(yīng)用中的使用頻率較低，包括 di/dt 傳感器，如羅氏線圈或霍爾效應(yīng)傳感器。雖然這些在某些應(yīng)用中可以提供優(yōu)勢，但它們也有其自身的挑戰(zhàn)。例如，羅氏線圈具有出色的線性度，可以檢測非常高的電流，但制造起來可能更困難，并且要實現(xiàn)精確的低電流測量所需的良好抗噪性更具挑戰(zhàn)性。從篡改的角度來看，它們也可能容易受到交流磁場的影響?；魻栃?yīng)傳感器需要對溫度范圍內(nèi)的偏移進行主動補償，并且本質(zhì)上容易受到磁場的影響。

分流器和三相電能計量

近年來，在成本、抗磁性和尺寸優(yōu)勢的推動下，電阻分流器在單相電表中的使用迅速增加。在許多情況下，這些單相電表以線路電壓為基準，因此無需額外的隔離。在三相電表中，必須解決在每個分流器和電表核心之間創(chuàng)建隔離柵的挑戰(zhàn)。加熱問題也成為一個問題，通常將分流器的使用限制在最大電流為 120 A 或更低的儀表上。

讓我們首先考慮三相系統(tǒng)的A階段及其負載。假設(shè)分流器用于檢測相電流（圖 1）。

圖1.通過分流器檢測相電流時的相位電流和電壓檢測。

它完全是一種單相電能表配置：分流器放置在電源線中，分壓器將相位感應(yīng)到零線電壓。分流器和分壓器兩端的電壓由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）檢測。接地是與分壓器共用的分流器的極點。單相電表多為住宅電表，其最大電流一般低于120A。這種限制和低成本使分流器成為單相電能計量中最常用的電流傳感器。

當在所有三相中重復(fù)此方案時，每個ADC都有自己的接地（圖2）。

圖2.三相電流和電壓檢測，當相電流被分流器檢測時。

由于管理所有這些微控制器（MCU）與零線處于同一電位上，為了使ADC和MCU之間的通信正常工作，必須隔離數(shù)據(jù)通道。然后，每個 ADC 必須有自己的隔離電源（圖 3）。

圖3.帶分流器、獨立電源和隔離通信的三相電表。

這種電表架構(gòu)已經(jīng)投入使用：兩個通道ADC使用光耦合器或芯片級變壓器跨越隔離柵將信息串行傳輸?shù)組CU。隔離式電源采用獨立組件或使用芯片級變壓器的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)建。

理想情況下，所有相電流和電壓應(yīng)同時采樣，因此可以使用它們的瞬時值進行全面的三相分析。但是，由于沒有ADC同步，因此每個相位的ADC讀數(shù)完全獨立于其他相位。這是此體系結(jié)構(gòu)的第一個限制。使用電流互感器或羅氏線圈的電表沒有這樣的問題，因為它們可能使用同時讀取所有相電流和電壓的計量模擬前端（AFE）。

這種架構(gòu)的另一個問題是組件數(shù)量多：一個MCU、三個ADC、三個多通道數(shù)據(jù)隔離器和四個電源。使用CT的儀表沒有這樣的問題，因為電路板通常有一個MCU，一個計量AFE和一個電源。

那么，如何創(chuàng)建具有分流器優(yōu)勢的電表，該架構(gòu)的組件數(shù)量最少（即一個MCU、一個電源和三個ADC），并同時對所有相電流和電壓進行采樣？

隔離式ADC架構(gòu)

應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的答案是創(chuàng)建一種芯片，該芯片集成了至少兩個 ADC、一個隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)隔離，并具有允許屬于不同芯片的 ADC 同時采樣數(shù)據(jù)的技術(shù)（圖 4）。MCU的電源VDD也為該芯片供電。采用芯片級變壓器技術(shù)的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器為ADC的第一級提供隔離電源。一個ADC檢測分流器兩端的電壓，另一個ADC使用分壓器檢測相位至零線電壓。由分流器的一個極點確定的接地是芯片隔離側(cè)的接地。ADC為Σ-Δ，只有第一級放置在芯片的隔離側(cè)。來自第一級的比特流通過構(gòu)成隔離數(shù)據(jù)通信通道的芯片級變壓器。這些位在芯片的非隔離側(cè)接收，經(jīng)過濾波，放入24位字中，并通過SPI串行端口提供。

圖4.新型ADC架構(gòu)，包括雙通道ADC、數(shù)據(jù)隔離和一個隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

芯片級變壓器技術(shù)是這種新型ADC架構(gòu)的最重要貢獻：ADI公司獲得專利的i耦合器數(shù)字隔離器比光耦合器具有更好的可靠性、更小的尺寸、更低的功耗、更高的通信速度和更好的定時精度。但這還不夠。隔離式Σ-Δ調(diào)制器已經(jīng)上市很長時間了，使用光耦合器或芯片級變壓器。芯片級變壓器技術(shù)最重要的貢獻是配套的isoPower隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器，它可以與ADC、數(shù)字模塊和隔離數(shù)據(jù)通道集成到相同的表面貼裝薄型封裝中。??

由于芯片級變壓器的核心是空氣，i耦合器數(shù)字隔離器和isoPower隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器完全不受永磁體的影響，使電能表的這一側(cè)完全不受直流磁篡改的影響。變壓器對交流磁場也具有很強的免疫力。線圈的面積非常小，以至于必須產(chǎn)生 10.2 T 的 8 kHz 磁場才能影響 isoPower 線圈的行為。換句話說，必須通過導(dǎo)線產(chǎn)生10 kA的69 kHz電流，并將該導(dǎo)線遠離芯片5 mm，以影響芯片級變壓器的行為。

信息使用極高頻PWM脈沖穿過隔離柵傳輸。這會產(chǎn)生高頻電流，在電路板中傳播，導(dǎo)致邊緣和偶極子輻射。隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的負載僅由Σ-Δ型ADC的第一級構(gòu)成，其幅度是眾所周知的。因此，線圈設(shè)計用于已知負載，減少了通常與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的輻射，并且無需四層電路板。使用具有這種架構(gòu)的IC時，電表的制造商可以使用兩層電路板并通過所需的CISPR 22 B類標準。

為了使與MCU的接口盡可能簡單，芯片的數(shù)字模塊對來自第一級的比特流執(zhí)行濾波，并通過簡單的從SPI串行端口創(chuàng)建24位ADC輸出。由于電表每相都有一個隔離式ADC，因此獲得相干ADC輸出的挑戰(zhàn)仍然存在。如果ADC的第一級使用相同的時鐘工作，則它們可能會在所有相位上以相同的精確時刻采樣。如果圖4中的CLKIN信號是從MCU生成的，則很容易實現(xiàn)。另一種方法是使用一個晶體為一個芯片創(chuàng)建一個時鐘，并使用緩沖的CLKOUT信號為所有其他隔離式ADC提供時鐘。所有隔離式ADC均受到控制，以在同一時刻產(chǎn)生其ADC輸出?，F(xiàn)在，電能表可以使用分流器進行電流檢測，執(zhí)行準確而全面的三相分析。

圖5所示為使用三個隔離式ADC的三相電表。測量儀只有一個電源為MCU和隔離式ADC供電。MCU使用SPI接口從每個IC讀取ADC輸出。

圖5.使用新型隔離式ADC的三相電表。

前面的描述假定使用外部MCU來實現(xiàn)計量計算。對于喜歡包含計量的解決方案的電表制造商，可以將隔離式ADC耦合到執(zhí)行所有計量計算的IC，如圖6所示。

圖6.采用新型隔離式ADC和計量IC的三相電表。

基于此架構(gòu)的新產(chǎn)品

該架構(gòu)已被設(shè)計到ADI公司新的產(chǎn)品系列中：ADE7913、ADE7912、ADE7933和ADE7932。 圖7所示為ADE7913的框圖。它與圖4非常相似，但有一個額外的ADC通道，用于檢測與溫度傳感器多路復(fù)用的輔助電壓。輔助電壓可以是斷路器兩端的電壓，溫度傳感器可用于校正分流器的溫度變化。ADE7912是一款沒有輔助電壓測量但具有溫度傳感器的變體。

圖7.基于該架構(gòu)的新型隔離式ADE7913。

ADE7933和ADE7932用位流接口取代SPI接口，并分別復(fù)制ADE7913和ADE7912的特性。它們是圖6所示的隔離式ADC。圖中的計量IC已實現(xiàn)為ADE7978。

結(jié)論

本文提出了一種新型隔離式ADC架構(gòu)。它包含一個iso電源隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器使用MCU電源為跨越隔離柵的多通道Σ-Δ ADC的第一級供電。來自ADC的位流通過i耦合器數(shù)據(jù)隔離器，并由數(shù)字模塊接收。該模塊對它們進行濾波并創(chuàng)建24位ADC輸出，可以使用簡單的SPI接口讀取。一個ADC可以測量通過分流器的電流，第二個ADC可以使用分壓器測量相位到零線電壓，第三個ADC可以測量輔助電壓或溫度傳感器。它支持使用分流器的三相電能表，確保完全不受直流和交流磁場和電流檢測的影響，沒有任何相移，同時降低整體系統(tǒng)成本。小尺寸確保了電路板非常小，需要組裝的組件很少。集成的isoPower芯片級變壓器專為已知的ADC負載而設(shè)計，以最大限度地減少輻射發(fā)射，并已通過兩層電路板的CISPR 22 B類標準測試。

當然，使用分流器的電流檢測不僅限于電能計量。電能質(zhì)量監(jiān)控、太陽能逆變器、過程監(jiān)控和保護器件都可以從這種新的ADC架構(gòu)中受益。

審核編輯：郭婷