在上期中，我們探討了奈奎斯特規(guī)則以及如何使用抽取協(xié)助頻率規(guī)劃。

本期，為大家?guī)?lái)的是《優(yōu)化電能計(jì)量中隔離式電流檢測(cè)的信號(hào)鏈成本和精度》，將介紹如何利用電能計(jì)量設(shè)備，來(lái)確定需要改進(jìn)的領(lǐng)域，從而優(yōu)化信號(hào)調(diào)節(jié)和 ADC 的性能，并降低成本。

簡(jiǎn)介

隨著我們持續(xù)轉(zhuǎn)向采用太陽(yáng)能和風(fēng)能等能源的更加可持續(xù)的能源網(wǎng)絡(luò)，我們更加需要電能計(jì)量設(shè)備來(lái)獲取有關(guān)各項(xiàng)能耗的詳細(xì)見(jiàn)解，從而確定需要改進(jìn)的領(lǐng)域、優(yōu)化使用和降低成本。需要電能計(jì)量子系統(tǒng)的電子終端設(shè)備類型包括智能電表、電動(dòng)汽車 (EV) 充電站、電源和配電單元、智能電器、街道照明和樓宇自動(dòng)化組件。這些產(chǎn)品的數(shù)量之多促使人們需要在電能計(jì)量解決方案中盡量降低成本，而美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) C12（美國(guó)）或測(cè)量?jī)x器指令（歐洲）等地區(qū)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)精度和安全提出嚴(yán)格的要求。

圖 1 展示電能計(jì)量應(yīng)用中的典型信號(hào)鏈，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)僅展示一個(gè)相位。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 同時(shí)測(cè)量并數(shù)字化每個(gè)相位的電壓和電流。隨后數(shù)字信號(hào)處理提取計(jì)量參數(shù)，例如有功和無(wú)功功率和能量、線間電壓、基本功率和能量以及諧波。

圖 1：電能計(jì)量子系統(tǒng)信號(hào)鏈

信號(hào)鏈的基本構(gòu)建模塊包括：

線電壓檢測(cè)前端（圖 1 中 A）。

電流測(cè)量傳感器 (B)。

電流傳感器與 ADC 之間的前端和信號(hào)調(diào)節(jié)器 (C)。

ADC (D)。

數(shù)字信號(hào)處理硬件 (E)。

電氣隔離 (F)。

在大多數(shù)情況下，線電壓檢測(cè)前端采用簡(jiǎn)單的電阻分壓器實(shí)現(xiàn)，但其他構(gòu)建模塊存在多種選擇。對(duì)于每個(gè)信號(hào)鏈組件，都需要在性能、尺寸和成本方面進(jìn)行權(quán)衡。本文重點(diǎn)介紹電流測(cè)量傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)以及 ADC 的性能與成本權(quán)衡。

電能計(jì)量中使用的電流傳感器元件對(duì)比

表 1 總結(jié)了電能計(jì)量應(yīng)用中使用的三種電流檢測(cè)技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)以及成本。電流互感器是最受歡迎的傳感器，具有動(dòng)態(tài)范圍寬、耐用和插入阻抗低（非侵入式電流測(cè)量）的特點(diǎn)。但很可能具有所有電流檢測(cè)技術(shù)中最高的成本。分流電阻器（分流器）具有抗磁性、更小的尺寸和更低的成本，因此非常有吸引力，但熱自加熱導(dǎo)致缺乏隔離且在較高電流下的精度較低。

羅氏線圈是其他兩種傳感器的替代方案且成本最低，特別是在考慮印刷電路板 (PCB) 線圈與整體式羅氏線圈的情況下。

表 1：電流傳感器對(duì)比

PCB 羅氏線圈成本低且安裝靈活，對(duì)于低成本電能計(jì)量應(yīng)用極具吸引力。我們來(lái)分析一下基于 PCB 羅氏計(jì)量設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，以及如何優(yōu)化信號(hào)鏈來(lái)盡量降低成本，同時(shí)滿足地區(qū)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

電能計(jì)量中使用的 PCB 羅氏線圈的靈敏度與ADC 噪聲性能

PCB 羅氏線圈靈敏度通常以微伏每安培為單位，取決于幾何形狀（匝數(shù)、線圈尺寸）、磁芯材料（如有）、電流頻率以及環(huán)境因素（溫度、濕度、外部磁場(chǎng)）。常見(jiàn)的靈敏度范圍從數(shù)十微伏到數(shù)百微伏每安培。

住宅電表測(cè)量 250mA 均方根 (RMS) 相電流的常見(jiàn)精度要求為 2%。例如使用 200μV/A 羅氏線圈時(shí)，該相電流ADC 輸入端信號(hào)僅為 200μV/A × 0.250A = 50μV。以 2%的精度測(cè)量該信號(hào)所需的 ADC 性能（即確定有效分辨率的噪聲）低至 0.02 × 200μV/A × 0.250A = 1μV，通過(guò)方程式 1定義：

方程式 1

其中，VnADC是 ADC 所需噪聲水平，tol 是給定相電流 Iphase-rms（單位為安培）的指定測(cè)量精度（以百分比表示），k 是羅氏線圈的靈敏度常數(shù)（單位為微伏每安培）。

因此，此示例中 ADC 的總噪聲（量化噪聲加白噪聲）需要低于 1μV。

對(duì)比 1μV ADC 噪聲要求與德州儀器 (TI) ADS131M08等精密 ADC 的規(guī)格，顯然達(dá)到預(yù)期性能水平可能需要對(duì) ADC 樣本進(jìn)行額外的平均。表 2 展示此平均過(guò)程，同時(shí)還展示過(guò)采樣率 (OSR) 定義的各種增益設(shè)置和數(shù)據(jù)速率下的總 ADC 噪聲（單位為 RMS 微伏）。當(dāng)增益為 1 且采樣率為 4kSPS (OSR = 1,024) 時(shí)，ADC 噪聲約為 5μVrms。平均時(shí)間翻倍時(shí)噪聲以 √2 的系數(shù)提高，因此要滿足 ADC噪聲 <1μV 的要求，需要時(shí)間周期 ≥16ms。這對(duì)于大多數(shù)電能計(jì)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以接受，此類系統(tǒng)通常需要 20ms 的更新速率。此類平均實(shí)際上可以通過(guò)結(jié)合使用 Δ-Σ ADC 的內(nèi)部過(guò)采樣率 (OSR) 功能和外部后平均進(jìn)行 ADC 內(nèi)部過(guò)采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表 2 建議采用的另一種選擇是為 ADC 內(nèi)部的可編程增益放大器 (PGA)選擇更高的增益，以此降低以輸入為基準(zhǔn)的噪聲。另外，也可以在信號(hào)到達(dá) ADC 之前，使用外部增益級(jí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。但外部增益級(jí)會(huì)顯著增加信號(hào)鏈的成本。

表 2：ADC 噪聲性能與速度、平均時(shí)間和 OSR。

基于羅氏線圈的電流傳感器的ADC 信號(hào)鏈靈敏度分析

采用低成本 PCB 羅氏電流傳感器的系統(tǒng)的主要考慮因素是傳感器輸出端的信號(hào)幅度通常非常小，在大多數(shù)情況下僅為幾微伏。必須仔細(xì)設(shè)計(jì)信號(hào)鏈，滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。此類極小信號(hào)的信號(hào)調(diào)節(jié)必須通過(guò)選擇具有內(nèi)部增益的高分辨率 ADC 或在傳感器與 ADC 之間級(jí)聯(lián)外部增益級(jí)，從而包括顯著的差分增益。增加外部增益級(jí)通常會(huì)產(chǎn)生不利的影響，因?yàn)檫@會(huì)增加總成本；因此，量化需要外部增益級(jí)的解決方案以及可以避免外部增益級(jí)的時(shí)機(jī)更有意義。

表 3 介紹了三種不同的羅氏線圈，以便分析外部增益級(jí)的有效性：

線圈 A 是基于采用 PCB 羅氏線圈傳感器的高精度交流電流測(cè)量參考設(shè)計(jì)的 PCB 羅氏線圈，靈敏度約為 20μV/A。

線圈 B 是另一種專有羅氏線圈，靈敏度約為 100μV/A。

線圈 C 是市售型整體式羅氏線圈 (Pulse PA3209NL)，靈敏度約為 500μV/A。

表 3：羅氏線圈在信號(hào)鏈分析中的特性

圖 2 展示靈敏度分析的測(cè)量設(shè)置。各羅氏線圈的輸出（如表 3 所示）連接到信號(hào)調(diào)節(jié)接口板，可在其中使用四根跳線選擇或繞過(guò)基于TI INA188的增益級(jí)。增益定義電阻 RG（參見(jiàn)圖 2）為 390Ω，可產(chǎn)生 128 倍的可選外部增益。

儀表放大器 (INA) 接口板的輸出連接到使用獨(dú)立 ADC 的三相電流互感器電表參考設(shè)計(jì)的第 1 相電流輸入，該參考設(shè)計(jì)確實(shí)包括負(fù)載電阻器 R37 和 R38，這些電阻器僅在連接到電流互感器時(shí)才需要使用且在此分析中已物理移除。電表參考設(shè)計(jì)中的 ADC 為TI ADS131M08，這是一款高精度、八通道、同步采樣 Δ-Σ ADC，具有 1 到 128 倍的內(nèi)部增益選項(xiàng)。

圖 2：信號(hào)鏈分析的測(cè)量設(shè)置

圖 3 和 圖 4 展示使用 MTE PTS3.3C 源發(fā)生器和參考表測(cè)量 100mA 到 10A 的 50Hz 線路電流的電流精度。

圖 3：不同增益設(shè)置下 20μV/A 線圈測(cè)量電流精度

圖 4：不同增益設(shè)置下 100μV/A 線圈測(cè)量電流精度

對(duì)于靈敏度極低的 PCB 線圈（例如 20μV/A），通過(guò)級(jí)聯(lián) INA 級(jí)使用 128 倍外部增益可以顯著提高精度（參見(jiàn)圖 3）。如上文所述，ADS131M08本身的內(nèi)部 PGA 增益（即便增益達(dá)到 128 倍）無(wú)法將較小的輸入信號(hào)充分提高到量化噪聲電平以上。

使用靈敏度 ≥100μV/A 的 PCB 線圈時(shí)（參見(jiàn)圖 4），選擇內(nèi)部增益或外部增益會(huì)產(chǎn)生類似的誤差，表明此時(shí)傳感器輸出幅度遠(yuǎn)高于相關(guān)相電流范圍的量化噪聲水平。產(chǎn)生誤差的絕對(duì)值高于某些收入級(jí)電能計(jì)量系統(tǒng)可接受的水平，此類系統(tǒng)的精度目標(biāo) ≤0.5%。誤差增加是在此設(shè)置中應(yīng)用簡(jiǎn)化校準(zhǔn)程序的結(jié)果：?jiǎn)吸c(diǎn)（增益）校準(zhǔn)。在典型計(jì)量設(shè)計(jì)中，應(yīng)用多達(dá)三個(gè)校準(zhǔn)步驟（偏移校準(zhǔn)、增益校準(zhǔn)和相位校準(zhǔn)）可以進(jìn)一步降低絕對(duì)誤差。

圖 5 和 圖 6 展示表 3 中列出的三種不同線圈的測(cè)量誤差對(duì)羅氏線圈靈敏度的依賴性。

圖 5：三種線圈在 200mA 線路電流下測(cè)量電流精度

在較小的相電流 （200mA，圖 5）和中等相電流 （5A，圖 6）的情況下，20μV/A 羅氏線圈通過(guò)采用外部增益級(jí)實(shí)現(xiàn)顯著改善（誤差減?。?。檢測(cè)到較大的線路電流值時(shí) (5A，圖 6)，所有誤差均減小到較小的值，符合預(yù)期。對(duì)于 100μV/A 和 500μV/A 羅氏線圈，應(yīng)用 128 倍外部增益與使用內(nèi)部 ADC 增益相比可實(shí)現(xiàn)類似的精度。

圖 6：三種線圈在 5A 線路電流下測(cè)量電流精度

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于≥100μV/A 羅氏線圈，不需要外部增益級(jí)，從而降低電能計(jì)量信號(hào)鏈解決方案的成本。對(duì)于<100μV/A 羅氏線圈，使用?TI ADS131M08?或類似 ADC 時(shí)，可能需要外部增益來(lái)滿足住宅電能計(jì)量精度。另外，也可以考慮使用噪聲較低、成本較高的 ADC 來(lái)避免額外的電路。