統(tǒng)的三相電能表使用電流互感器 （CT） 來(lái)檢測(cè)相位電流和零線電流。CT的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們?cè)跀?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(shí)現(xiàn)良好的線性度，并具有通過(guò)調(diào)整匝數(shù)比和負(fù)擔(dān)電阻來(lái)測(cè)量寬范圍電流的靈活性。但是，它們?cè)陔姳碇惺褂靡灿幸恍┤秉c(diǎn)。首先，CT的磁芯可以被外部直流磁場(chǎng)飽和?，F(xiàn)在，普通房主很容易獲得并申請(qǐng)篡改電表的極其強(qiáng)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(yáng)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(guò)屏蔽和使用直流耐受CT來(lái)抵消這兩種影響;然而，這增加了成本，有些人建議，對(duì)于每一個(gè)這樣的CT，人們可以找到一個(gè)永磁體來(lái)篡改它。第三，CT引入了取決于線路電流頻率的測(cè)量相位延遲。如果只關(guān)注線路電流的基波分量，則補(bǔ)償此延遲相對(duì)容易。然而，測(cè)量諧波含量變得越來(lái)越重要，并且很難補(bǔ)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(shì)，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(cè)非常高的電流，但制造起來(lái)可能更困難，并且要實(shí)現(xiàn)精確的低電流測(cè)量所需的良好抗噪性更具挑戰(zhàn)性。從篡改的角度來(lái)看，它們也可能容易受到交流磁場(chǎng)的影響。霍爾效應(yīng)傳感器需要對(duì)溫度范圍內(nèi)的偏移進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償，并且本質(zhì)上容易受到磁場(chǎng)的影響。

分流器和三相電能計(jì)量

近年來(lái)，在成本、抗磁性和尺寸優(yōu)勢(shì)的推動(dòng)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(zhǔn)，因此無(wú)需額外的隔離。在三相電表中，必須解決在每個(gè)分流器和電表核心之間創(chuàng)建隔離柵的挑戰(zhàn)。加熱問(wèn)題也成為一個(gè)問(wèn)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(fù)載。假設(shè)分流器用于檢測(cè)相電流（圖 1）。

圖1.通過(guò)分流器檢測(cè)相電流時(shí)的相位電流和電壓檢測(cè)。

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(cè)。接地是與分壓器共用的分流器的極點(diǎn)。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(jì)量中最常用的電流傳感器。

當(dāng)在所有三相中重復(fù)此方案時(shí)，每個(gè)ADC都有自己的接地（圖2）。

圖2.三相電流和電壓檢測(cè)，當(dāng)相電流被分流器檢測(cè)時(shí)。

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(gè) ADC 必須有自己的隔離電源（圖 3）。

圖3.帶分流器、獨(dú)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(gè)通道ADC使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。隔離式電源采用獨(dú)立組件或使用芯片級(jí)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(shí)采樣，因此可以使用它們的瞬時(shí)值進(jìn)行全面的三相分析。但是，由于沒(méi)有ADC同步，因此每個(gè)相位的ADC讀數(shù)完全獨(dú)立于其他相位。這是此體系結(jié)構(gòu)的第一個(gè)限制。使用電流互感器或羅氏線圈的電表沒(méi)有這樣的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兛赡苁褂猛瑫r(shí)讀取所有相電流和電壓的計(jì)量模擬前端（AFE）。

這種架構(gòu)的另一個(gè)問(wèn)題是組件數(shù)量多：一個(gè)MCU、三個(gè)ADC、三個(gè)多通道數(shù)據(jù)隔離器和四個(gè)電源。使用CT的儀表沒(méi)有這樣的問(wèn)題，因?yàn)殡娐钒逋ǔＳ幸粋€(gè)MCU，一個(gè)計(jì)量AFE和一個(gè)電源。

那么，如何創(chuàng)建具有分流器優(yōu)勢(shì)的電表，該架構(gòu)的組件數(shù)量最少（即一個(gè)MCU、一個(gè)電源和三個(gè)ADC），并同時(shí)對(duì)所有相電流和電壓進(jìn)行采樣？

隔離式ADC架構(gòu)

應(yīng)對(duì)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(gè) ADC、一個(gè)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(shí)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(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)分流器兩端的電壓，另一個(gè)ADC使用分壓器檢測(cè)相位至零線電壓。由分流器的一個(gè)極點(diǎn)確定的接地是芯片隔離側(cè)的接地。ADC為Σ-Δ，只有第一級(jí)放置在芯片的隔離側(cè)。來(lái)自第一級(jí)的比特流通過(guò)構(gòu)成隔離數(shù)據(jù)通信通道的芯片級(jí)變壓器。這些位在芯片的非隔離側(cè)接收，經(jīng)過(guò)濾波，放入24位字中，并通過(guò)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(gè)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

芯片級(jí)變壓器技術(shù)是這種新型ADC架構(gòu)的最重要貢獻(xiàn)：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(shí)精度。但這還不夠。隔離式Σ-Δ調(diào)制器已經(jīng)上市很長(zhǎng)時(shí)間了，使用光耦合器或芯片級(jí)變壓器。芯片級(jí)變壓器技術(shù)最重要的貢獻(xiàn)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(jí)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(duì)交流磁場(chǎng)也具有很強(qiáng)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(chǎng)才能影響 isoPower 線圈的行為。換句話說(shuō)，必須通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生10 kA的69 kHz電流，并將該導(dǎo)線遠(yuǎn)離芯片5 mm，以影響芯片級(jí)變壓器的行為。

信息使用極高頻PWM脈沖穿過(guò)隔離柵傳輸。這會(huì)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(fù)載僅由Σ-Δ型ADC的第一級(jí)構(gòu)成，其幅度是眾所周知的。因此，線圈設(shè)計(jì)用于已知負(fù)載，減少了通常與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的輻射，并且無(wú)需四層電路板。使用具有這種架構(gòu)的IC時(shí)，電表的制造商可以使用兩層電路板并通過(guò)所需的CISPR 22 B類標(biāo)準(zhǔn)。

為了使與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)的比特流執(zhí)行濾波，并通過(guò)簡(jiǎn)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(gè)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(jí)使用相同的時(shí)鐘工作，則它們可能會(huì)在所有相位上以相同的精確時(shí)刻采樣。如果圖4中的CLKIN信號(hào)是從MCU生成的，則很容易實(shí)現(xiàn)。另一種方法是使用一個(gè)晶體為一個(gè)芯片創(chuàng)建一個(gè)時(shí)鐘，并使用緩沖的CLKOUT信號(hào)為所有其他隔離式ADC提供時(shí)鐘。所有隔離式ADC均受到控制，以在同一時(shí)刻產(chǎn)生其ADC輸出?，F(xiàn)在，電能表可以使用分流器進(jìn)行電流檢測(cè)，執(zhí)行準(zhǔn)確而全面的三相分析。

圖5所示為使用三個(gè)隔離式ADC的三相電表。測(cè)量?jī)x只有一個(gè)電源為MCU和隔離式ADC供電。MCU使用SPI接口從每個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)量計(jì)算。對(duì)于喜歡包含計(jì)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(jì)量計(jì)算的IC，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

該架構(gòu)已被設(shè)計(jì)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(gè)額外的ADC通道，用于檢測(cè)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(méi)有輔助電壓測(cè)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(jì)量IC已實(shí)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(gè)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(jí)供電。來(lái)自ADC的位流通過(guò)i耦合器數(shù)據(jù)隔離器，并由數(shù)字模塊接收。該模塊對(duì)它們進(jìn)行濾波并創(chuàng)建24位ADC輸出，可以使用簡(jiǎn)單的SPI接口讀取。一個(gè)ADC可以測(cè)量通過(guò)分流器的電流，第二個(gè)ADC可以使用分壓器測(cè)量相位到零線電壓，第三個(gè)ADC可以測(cè)量輔助電壓或溫度傳感器。它支持使用分流器的三相電能表，確保完全不受直流和交流磁場(chǎng)和電流檢測(cè)的影響，沒(méi)有任何相移，同時(shí)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(jí)變壓器專為已知的ADC負(fù)載而設(shè)計(jì)，以最大限度地減少輻射發(fā)射，并已通過(guò)兩層電路板的CISPR 22 B類標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

當(dāng)然，使用分流器的電流檢測(cè)不僅限于電能計(jì)量。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)器件都可以從這種新的ADC架構(gòu)中受益。

審核編輯：郭婷