創新的隔離式ADC架構支持利用分流電阻進行三相電能計量
發布時間：2020-08-11 來源：Petre Minciunescu 責任編輯：wenwei
【導讀】傳統三相電表使用電流互感器(CT)檢測相電流和零線電流。CT的優勢之一是能夠在數百伏的電力線與電表地(通常連接到零線)之間提供固有的電隔離。CT可以實現良好的線性度；通過調整匝數比和負載電阻，可以靈活地測量各種類型的電流。
然而，CT用於電表時也有一些缺點。首先，外部直流磁場可能會使CT的磁芯飽和。現在，非常強大的稀土直流磁體很容易為普通民眾所獲得並應用於竊電。其次，電源電子設備也能使CT飽和，例如用於分布式太陽能發電的直連逆變器，它在線路上產生直流電流。製造商可以通過屏蔽和使用直流兼容CT來克服這兩種影響，但這會增加成本。有人說，無論是何種CT，都可以找到一個永磁體來幹擾它。第三，CT會(hui)引(yin)入(ru)一(yi)個(ge)與(yu)線(xian)電(dian)流(liu)頻(pin)率(lv)相(xiang)關(guan)的(de)測(ce)量(liang)相(xiang)位(wei)延(yan)遲(chi)。如(ru)果(guo)應(ying)用(yong)僅(jin)關(guan)注(zhu)線(xian)電(dian)流(liu)的(de)基(ji)波(bo)成(cheng)分(fen)，那(na)麼(me)補(bu)償(chang)此(ci)延(yan)遲(chi)相(xiang)對(dui)容(rong)易(yi)。然(ran)而(er)，測(ce)量(liang)諧(xie)波(bo)成(cheng)分(fen)日(ri)益(yi)變(bian)得(de)重(zhong)要(yao)，而(er)要(yao)補(bu)償(chang)基(ji)波(bo)和(he)所(suo)有(you)諧(xie)波(bo)的(de)總(zong)延(yan)遲(chi)則(ze)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)。
其它電流傳感器在三相電表應用中使用較少，包括羅氏線圈等di/dt傳chuan感gan器qi或huo霍huo爾er效xiao應ying傳chuan感gan器qi。雖sui然ran這zhe些xie傳chuan感gan器qi在zai某mou些xie應ying用yong中zhong具ju有you優you勢shi，但dan也ye存cun在zai特te殊shu的de困kun難nan。例li如ru，羅luo氏shi線xian圈quan具ju有you出chu色se的de線xian性xing度du，可ke以yi檢jian測ce非fei常chang高gao的de電dian流liu，但dan難nan以yi製zhi造zao，而er且qie難nan以yi實shi現xian良liang好hao的de抗kang擾rao度du，不bu適shi合he精jing確que的de低di電dian流liu測ce量liang。在zai防fang竊qie電dian方fang麵mian，羅luo氏shi線xian圈quan也ye容rong易yi受shou交jiao流liu磁ci場chang幹gan擾rao。霍huo爾er效xiao應ying傳chuan感gan器qi要yao求qiu對dui溫wen度du失shi調tiao進jin行xing主zhu動dong補bu償chang，而er且qie本ben身shen很hen容rong易yi受shou磁ci場chang影ying響xiang。
分流電阻與三相電能計量
近年來，在成本、cichangkangraoduhechicundengyinsudetuidongxia，fenliudianzuzaidanxiangdianbiaozhongdeshiyongxunsuzengjia。xuduoqingkuangxia，danxiangdianbiaoyixiandianyaweijizhun，yinerwuxuewaidegeli。zaisanxiangdianbiaozhong，bixuzaigefenliudianzuyudianbiaoneihezhijiantigongyigegelizha，zheshiyanzhongdetiaozhan。reliangyeshiyigewenti，poshifenliudianzuyibanzhinengyongyuzuidadianliubuchaoguo120 A的電表。我們先考慮一個三相係統的A相及其負載。假設利用分流電阻來檢測相電流(圖1)。
我們先考慮一個三相係統的A相及其負載。假設利用分流電阻來檢測相電流(圖1)。
圖1. 利用分流電阻檢測相電流時的A相電流和電壓檢測
這恰好是一個單相電表配置：分流電阻位於電力線上，一個分壓器檢測相至零線電壓。分流電阻和分壓器上的電壓由一個模數轉換器(ADC)檢測。地為分流電阻與分壓器共用的極點。單相電表大部分用於住宅，其最大電流一般低於120 A。這一限製加上低成本要求，使得分流電阻成為單相電能計量中使用最廣泛的電流傳感器。
所有三相都複製這一方案，各ADC有其自己的地(圖2)。
圖2. 利用分流電阻檢測相電流時的三相電流和電壓檢測
管理所有活動的微控製器(MCU)與零線處於相同的電位，為了在ADC與MCU之間進行通信，必須隔離數據通道。這樣，每個ADC都有其自己的隔離電源(圖3)。
圖3. 具有分流電阻、獨立電源和隔離通信的三相電表
這種電表架構已在使用：雙通道ADC利用光耦合器或芯片級變壓器，跨越隔離柵將信息串行傳輸到MCU。隔離電源利用獨立器件或采用芯片級變壓器的隔離DC-DC轉換器來構建。
理想情況下，所有相電流和電壓都應同步采樣，以便利用瞬時值進行全麵的三相分析。但是，各相的ADC讀數完全獨立，因為不存在ADC同步。這是這種架構的第一個局限。使用電流互感器或羅氏線圈的電表則不存在這種問題，因為它們可以使用一個計量模擬前端(AFE)來同時讀取所有相電流和電壓。
這種架構的另一個問題是高器件數：一個MCU、三個ADC、三個多通道數據隔離器以及四個電源。使用CT的電表不存在這個問題，因為電路板通常具有一個MCU、一個計量AFE和一個電源。
那麼，如何構建一款具有分流電阻的優勢，器件數對於這種架構而言最少(即一個MCU、一個電源和三個ADC)，並且能對所有相電流和電壓同步采樣的電表呢？
隔離式ADC架構
答案是構建一種集成至少兩個ADC、一個隔離式DC-DC轉換器和數據隔離器，並能使屬於不同芯片的ADC同步采樣數據的芯片(圖4)。MCU的電源VDD也為此芯片供電。采用芯片級變壓器技術的隔離式DC-DC轉換器為ADC的第一級提供隔離電源。一個ADC檢測分流電阻上的電壓，另一個ADC利用分壓器檢測相至零線電壓。由分流電阻極點之一所確定的地就是芯片隔離側的地。ADC為sigma-delta型(xing)，僅(jin)第(di)一(yi)級(ji)放(fang)在(zai)芯(xin)片(pian)的(de)隔(ge)離(li)側(ce)。第(di)一(yi)級(ji)輸(shu)出(chu)的(de)位(wei)流(liu)經(jing)過(guo)芯(xin)片(pian)級(ji)變(bian)壓(ya)器(qi)，後(hou)者(zhe)是(shi)隔(ge)離(li)數(shu)據(ju)通(tong)信(xin)通(tong)道(dao)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。芯(xin)片(pian)的(de)非(fei)隔(ge)離(li)側(ce)收(shou)到(dao)位(wei)流(liu)，濾(lv)波(bo)後(hou)將(jiang)其(qi)變(bian)為(wei)24位字，然後通過SPI串行端口提供給外部。
圖4. 新型ADC架構包括雙通道ADC、數據隔離和一個隔離式DC-DC轉換器
芯片級變壓器技術對這種新型ADC架構的貢獻最大。與光耦合器相比，ADI公司獲得專利的iCoupler®數字隔離器更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時序精度更佳。但這還不夠。隔離式sigma-delta調製器上 市已久，采用光耦合器或芯片級變壓器。芯片級變壓器技術的最重要貢獻是伴隨isoPower®隔離式DC-DC轉換器，它可以與ADC、數字模塊、隔離數據通道一同集成到一個表貼薄型封裝中。
芯片級變壓器的核心是空氣，因此iCoupler數字隔離器和isoPower隔離式DC-DC轉zhuan換huan器qi根gen本ben不bu受shou永yong磁ci體ti的de影ying響xiang，使shi得de電dian表biao這zhe一yi側ce完wan全quan不bu受shou直zhi流liu磁ci場chang幹gan擾rao。這zhe種zhong變bian壓ya器qi對dui交jiao流liu磁ci場chang同tong樣yang具ju有you高gao抗kang擾rao度du。線xian圈quan麵mian積ji非fei常chang小xiao，要yao影ying響xiangisoPower線圈運行，必須產生一個10 kHz、2.8 T的磁場。換言之，為了影響芯片級變壓器的行為，必須讓69 kA的10 kHz電流通過一根導線，並讓該導線與芯片相隔5 mm。
信息利用極高頻PWM脈衝傳輸到隔離柵另一側。由此產生的高頻電流會在電路板中傳播，引起邊沿和偶極子輻射。隔離式DC-DC轉換器的負載僅由sigma-delta ADC的第一級構成，其幅度是已知的。因此，線圈是針對已知負載進行設計，從而可以降低一般與DC-DC轉換器相關的輻射，並且無需四層電路板。使用這種架構的IC時，電表製造商可以使用兩層電路板，並通過所需的CISPR 22 Class B標準。
為使與MCU的接口盡可能簡單，芯片的數字模塊對來自第一級的位流進行濾波，並通過簡單的從機SPI串行端口提供24位ADC輸出。電表每一相都有一個隔離式ADC，因此獲得一致ADC輸出的挑戰仍未解決。如果采用同一時鍾工作，則所有相上的ADC第一級可以在同一時刻采樣。如果圖4中的CLKIN信號產生自MCU，則這很容易實現。另一個方案是使用一個晶振為一個芯片產生時鍾，然後利用緩衝CLKOUT信號為所有其它隔離式ADC提供時鍾。控製所有隔離式ADC以在同一時刻產生ADC輸出。現在，電表就能利用分流電阻檢測電流，執行精確、全麵的三相分析。
圖5顯示一款采用三個隔離式ADC的三相電表。該電表僅有一個電源為MCU和隔離式ADC供電。MCU利用SPI接口從各IC讀取ADC輸出。
圖5. 采用新型隔離式ADC的三相電表
上麵的說明假設利用外部MCU執行計量計算。對於希望解決方案包括計量計算的電表製造商， 可以將隔離式ADC耦合到一個IC以執行所有計量計算，如圖6所示。
圖6. 采用新型隔離式ADC和計量IC的三相電表
基於此架構的新產品
此架構已被ADI公司的一係列新產品采用：ADE7913、ADE7912、ADE7933和ADE7932。圖7顯示了ADE7913的框圖。它與圖4非常相似，但有一個額外ADC通道用於檢測與溫度傳感器複用的輔助電壓。該輔助電壓可以是斷路器上的電壓，溫度傳感器可用於校正分流電阻的溫度變化。ADE7912是一個變體，無輔助電壓測量功能，但有溫度傳感器。
圖7. 基於此架構的新型ADE7913隔離式ADC
ADE7933和ADE7932將SPI接口替換為位流接口，其餘特性分別與ADE7913和ADE7912相同。它們就是圖6所示的隔離式ADC。圖中的計量IC已通過ADE7978實現。
結束語
本文說明了一種新型隔離式ADC架構。它包含一個isoPower隔離式DC-DC轉換器，利用MCU電源為隔離柵另一側的多通道sigma delta ADC第一級供電。ADC輸出的位流經過iCoupler數據隔離器，由數字模塊接收。此模塊對其進行濾波，產生24位ADC輸出，可利用簡單的SPI接口讀取。一個ADC可以測量經過一個分流電阻的電流，第二個ADC可以利用分壓器測量相至零線電壓，第三個ADCkeyiceliangfuzhudianyahuowenduchuanganqi。tazhichisanxiangdianbiaoshiyongfenliudianzu，quebaowanquanbushouzhiliuhejiaoliucichangganrao，zhixingdianliujianceshibuhuichanshengrenhexiangyi，tongshikejiangdixitongzongchengben。xiaochicunjiejuefanganquebaodianlubanfeichangxiao，zhixuanzhuangfeichangshaodeqijian。jichengshiisoPower芯片級變壓器針對已知ADC負載而設計，輻射降至最低，並通過測試，利用兩層電路板即可達到CISPR 22 Class B標準。
當然，使用分流電阻的電流檢測並不局限於電能計量應用，電能質量監控、太陽能逆變器、過程監控和保護設備均可受益於這種新型ADC架構。
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