【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)三相電表使用電流互感器(CT)檢測(cè)相電流和零線(xiàn)電流。CT的優(yōu)勢(shì)之一是能夠在數(shù)百伏的電力線(xiàn)與電表地(通常連接到零線(xiàn))之間提供固有的電隔離。CT可以實(shí)現(xiàn)良好的線(xiàn)性度；通過(guò)調(diào)整匝數(shù)比和負(fù)載電阻，可以靈活地測(cè)量各種類(lèi)型的電流。
然而，CT用于電表時(shí)也有一些缺點(diǎn)。首先，外部直流磁場(chǎng)可能會(huì)使CT的磁芯飽和。現(xiàn)在，非常強(qiáng)大的稀土直流磁體很容易為普通民眾所獲得并應(yīng)用于竊電。其次，電源電子設(shè)備也能使CT飽和，例如用于分布式太陽(yáng)能發(fā)電的直連逆變器，它在線(xiàn)路上產(chǎn)生直流電流。制造商可以通過(guò)屏蔽和使用直流兼容CT來(lái)克服這兩種影響，但這會(huì)增加成本。有人說(shuō)，無(wú)論是何種CT，都可以找到一個(gè)永磁體來(lái)干擾它。第三，CT會(huì)引入一個(gè)與線(xiàn)電流頻率相關(guān)的測(cè)量相位延遲。如果應(yīng)用僅關(guān)注線(xiàn)電流的基波成分，那么補(bǔ)償此延遲相對(duì)容易。然而，測(cè)量諧波成分日益變得重要，而要補(bǔ)償基波和所有諧波的總延遲則非常困難。
其它電流傳感器在三相電表應(yīng)用中使用較少，包括羅氏線(xiàn)圈等di/dt傳感器或霍爾效應(yīng)傳感器。雖然這些傳感器在某些應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，但也存在特殊的困難。例如，羅氏線(xiàn)圈具有出色的線(xiàn)性度，可以檢測(cè)非常高的電流，但難以制造，而且難以實(shí)現(xiàn)良好的抗擾度，不適合精確的低電流測(cè)量。在防竊電方面，羅氏線(xiàn)圈也容易受交流磁場(chǎng)干擾。霍爾效應(yīng)傳感器要求對(duì)溫度失調(diào)進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償，而且本身很容易受磁場(chǎng)影響。
分流電阻與三相電能計(jì)量
近年來(lái)，在成本、磁場(chǎng)抗擾度和尺寸等因素的推動(dòng)下，分流電阻在單相電表中的使用迅速增加。許多情況下，單相電表以線(xiàn)電壓為基準(zhǔn)，因而無(wú)需額外的隔離。在三相電表中，必須在各分流電阻與電表內(nèi)核之間提供一個(gè)隔離柵，這是嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。熱量也是一個(gè)問(wèn)題，迫使分流電阻一般只能用于最大電流不超過(guò)120 A的電表。我們先考慮一個(gè)三相系統(tǒng)的A相及其負(fù)載。假設(shè)利用分流電阻來(lái)檢測(cè)相電流(圖1)。
我們先考慮一個(gè)三相系統(tǒng)的A相及其負(fù)載。假設(shè)利用分流電阻來(lái)檢測(cè)相電流(圖1)。
圖1. 利用分流電阻檢測(cè)相電流時(shí)的A相電流和電壓檢測(cè)
這恰好是一個(gè)單相電表配置：分流電阻位于電力線(xiàn)上，一個(gè)分壓器檢測(cè)相至零線(xiàn)電壓。分流電阻和分壓器上的電壓由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)檢測(cè)。地為分流電阻與分壓器共用的極點(diǎn)。單相電表大部分用于住宅，其最大電流一般低于120 A。這一限制加上低成本要求，使得分流電阻成為單相電能計(jì)量中使用最廣泛的電流傳感器。
所有三相都復(fù)制這一方案，各ADC有其自己的地(圖2)。
圖2. 利用分流電阻檢測(cè)相電流時(shí)的三相電流和電壓檢測(cè)
管理所有活動(dòng)的微控制器(MCU)與零線(xiàn)處于相同的電位，為了在ADC與MCU之間進(jìn)行通信，必須隔離數(shù)據(jù)通道。這樣，每個(gè)ADC都有其自己的隔離電源(圖3)。
圖3. 具有分流電阻、獨(dú)立電源和隔離通信的三相電表
這種電表架構(gòu)已在使用：雙通道ADC利用光耦合器或芯片級(jí)變壓器，跨越隔離柵將信息串行傳輸?shù)組CU。隔離電源利用獨(dú)立器件或采用芯片級(jí)變壓器的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)構(gòu)建。
理想情況下，所有相電流和電壓都應(yīng)同步采樣，以便利用瞬時(shí)值進(jìn)行全面的三相分析。但是，各相的ADC讀數(shù)完全獨(dú)立，因?yàn)椴淮嬖贏DC同步。這是這種架構(gòu)的第一個(gè)局限。使用電流互感器或羅氏線(xiàn)圈的電表則不存在這種問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兛梢允褂靡粋€(gè)計(jì)量模擬前端(AFE)來(lái)同時(shí)讀取所有相電流和電壓。
這種架構(gòu)的另一個(gè)問(wèn)題是高器件數(shù)：一個(gè)MCU、三個(gè)ADC、三個(gè)多通道數(shù)據(jù)隔離器以及四個(gè)電源。使用CT的電表不存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)殡娐钒逋ǔ＞哂幸粋€(gè)MCU、一個(gè)計(jì)量AFE和一個(gè)電源。
那么，如何構(gòu)建一款具有分流電阻的優(yōu)勢(shì)，器件數(shù)對(duì)于這種架構(gòu)而言最少(即一個(gè)MCU、一個(gè)電源和三個(gè)ADC)，并且能對(duì)所有相電流和電壓同步采樣的電表呢？
隔離式ADC架構(gòu)
答案是構(gòu)建一種集成至少兩個(gè)ADC、一個(gè)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)隔離器，并能使屬于不同芯片的ADC同步采樣數(shù)據(jù)的芯片(圖4)。MCU的電源VDD也為此芯片供電。采用芯片級(jí)變壓器技術(shù)的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器為ADC的第一級(jí)提供隔離電源。一個(gè)ADC檢測(cè)分流電阻上的電壓，另一個(gè)ADC利用分壓器檢測(cè)相至零線(xiàn)電壓。由分流電阻極點(diǎn)之一所確定的地就是芯片隔離側(cè)的地。ADC為sigma-delta型，僅第一級(jí)放在芯片的隔離側(cè)。第一級(jí)輸出的位流經(jīng)過(guò)芯片級(jí)變壓器，后者是隔離數(shù)據(jù)通信通道的一部分。芯片的非隔離側(cè)收到位流，濾波后將其變?yōu)?4位字，然后通過(guò)SPI串行端口提供給外部。
圖4. 新型ADC架構(gòu)包括雙通道ADC、數(shù)據(jù)隔離和一個(gè)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器
芯片級(jí)變壓器技術(shù)對(duì)這種新型ADC架構(gòu)的貢獻(xiàn)最大。與光耦合器相比，ADI公司獲得專(zhuān)利的iCoupler®數(shù)字隔離器更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時(shí)序精度更佳。但這還不夠。隔離式sigma-delta調(diào)制器上 市已久，采用光耦合器或芯片級(jí)變壓器。芯片級(jí)變壓器技術(shù)的最重要貢獻(xiàn)是伴隨isoPower®隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，它可以與ADC、數(shù)字模塊、隔離數(shù)據(jù)通道一同集成到一個(gè)表貼薄型封裝中。
芯片級(jí)變壓器的核心是空氣，因此iCoupler數(shù)字隔離器和isoPower隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器根本不受永磁體的影響，使得電表這一側(cè)完全不受直流磁場(chǎng)干擾。這種變壓器對(duì)交流磁場(chǎng)同樣具有高抗擾度。線(xiàn)圈面積非常小，要影響isoPower線(xiàn)圈運(yùn)行，必須產(chǎn)生一個(gè)10 kHz、2.8 T的磁場(chǎng)。換言之，為了影響芯片級(jí)變壓器的行為，必須讓69 kA的10 kHz電流通過(guò)一根導(dǎo)線(xiàn)，并讓該導(dǎo)線(xiàn)與芯片相隔5 mm。
信息利用極高頻PWM脈沖傳輸?shù)礁綦x柵另一側(cè)。由此產(chǎn)生的高頻電流會(huì)在電路板中傳播，引起邊沿和偶極子輻射。隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)載僅由sigma-delta ADC的第一級(jí)構(gòu)成，其幅度是已知的。因此，線(xiàn)圈是針對(duì)已知負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而可以降低一般與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的輻射，并且無(wú)需四層電路板。使用這種架構(gòu)的IC時(shí)，電表制造商可以使用兩層電路板，并通過(guò)所需的CISPR 22 Class B標(biāo)準(zhǔn)。
為使與MCU的接口盡可能簡(jiǎn)單，芯片的數(shù)字模塊對(duì)來(lái)自第一級(jí)的位流進(jìn)行濾波，并通過(guò)簡(jiǎn)單的從機(jī)SPI串行端口提供24位ADC輸出。電表每一相都有一個(gè)隔離式ADC，因此獲得一致ADC輸出的挑戰(zhàn)仍未解決。如果采用同一時(shí)鐘工作，則所有相上的ADC第一級(jí)可以在同一時(shí)刻采樣。如果圖4中的CLKIN信號(hào)產(chǎn)生自MCU，則這很容易實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)方案是使用一個(gè)晶振為一個(gè)芯片產(chǎn)生時(shí)鐘，然后利用緩沖CLKOUT信號(hào)為所有其它隔離式ADC提供時(shí)鐘。控制所有隔離式ADC以在同一時(shí)刻產(chǎn)生ADC輸出。現(xiàn)在，電表就能利用分流電阻檢測(cè)電流，執(zhí)行精確、全面的三相分析。
圖5顯示一款采用三個(gè)隔離式ADC的三相電表。該電表僅有一個(gè)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
上面的說(shuō)明假設(shè)利用外部MCU執(zhí)行計(jì)量計(jì)算。對(duì)于希望解決方案包括計(jì)量計(jì)算的電表制造商， 可以將隔離式ADC耦合到一個(gè)IC以執(zhí)行所有計(jì)量計(jì)算，如圖6所示。
圖6. 采用新型隔離式ADC和計(jì)量IC的三相電表
基于此架構(gòu)的新產(chǎn)品
此架構(gòu)已被ADI公司的一系列新產(chǎn)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(gè)額外ADC通道用于檢測(cè)與溫度傳感器復(fù)用的輔助電壓。該輔助電壓可以是斷路器上的電壓，溫度傳感器可用于校正分流電阻的溫度變化。ADE7912是一個(gè)變體，無(wú)輔助電壓測(cè)量功能，但有溫度傳感器。
圖7. 基于此架構(gòu)的新型ADE7913隔離式ADC
ADE7933和ADE7932將SPI接口替換為位流接口，其余特性分別與ADE7913和ADE7912相同。它們就是圖6所示的隔離式ADC。圖中的計(jì)量IC已通過(guò)ADE7978實(shí)現(xiàn)。
結(jié)束語(yǔ)
本文說(shuō)明了一種新型隔離式ADC架構(gòu)。它包含一個(gè)isoPower隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，利用MCU電源為隔離柵另一側(cè)的多通道sigma delta ADC第一級(jí)供電。ADC輸出的位流經(jīng)過(guò)iCoupler數(shù)據(jù)隔離器，由數(shù)字模塊接收。此模塊對(duì)其進(jìn)行濾波，產(chǎn)生24位ADC輸出，可利用簡(jiǎn)單的SPI接口讀取。一個(gè)ADC可以測(cè)量經(jīng)過(guò)一個(gè)分流電阻的電流，第二個(gè)ADC可以利用分壓器測(cè)量相至零線(xiàn)電壓，第三個(gè)ADC可以測(cè)量輔助電壓或溫度傳感器。它支持三相電表使用分流電阻，確保完全不受直流和交流磁場(chǎng)干擾，執(zhí)行電流檢測(cè)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何相移，同時(shí)可降低系統(tǒng)總成本。小尺寸解決方案確保電路板非常小，只需安裝非常少的器件。集成式isoPower芯片級(jí)變壓器針對(duì)已知ADC負(fù)載而設(shè)計(jì)，輻射降至最低，并通過(guò)測(cè)試，利用兩層電路板即可達(dá)到CISPR 22 Class B標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)然，使用分流電阻的電流檢測(cè)并不局限于電能計(jì)量應(yīng)用，電能質(zhì)量監(jiān)控、太陽(yáng)能逆變器、過(guò)程監(jiān)控和保護(hù)設(shè)備均可受益于這種新型ADC架構(gòu)。
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