单个IC就能解决单相电能计量难题

来源：DigiKey
作者： Bill Schweber

有关“能量”和“功率”两个词的讨论当前依然不绝于耳。这两个概念不仅在“微观”层面上与电路或系统使用多少能量密切相关，而且还涉及到一些与交流线路能量和功率相关的考虑因素，主要是在能量使用、节能和可再生能源方面。下面我们一起了解这两个术语的真正含义，以及如何有效地对其进行计量。

作为工程专业的学生，首先要学习的课程之一就是“能量”和“功率”的含义。这两个术语虽然存在关联，却又是明显不同，而在非正式的谈话和报告中，甚至在工程师之间，它们亦经常互换使用。

按规范的说法，能量是做功的能力，而功率则是收集或消耗能量的速率。从数学上说，功率是能量的时间导数，而能量是功率的时间积分。

在功率和能量分析中，均方根 (RMS) 电压和电流值至关重要。从数学上说，时变电压 f(t) 的 RMS 值的计算方法如下：


公式 1

其中 T = 波形周期。

请注意，对于基本的无失真正弦波，峰值交流电压和 RMS 值之间的关系非常简单：


公式 2

一般情况下，RMS 值的含义是什么呢？通过将在相同负载下的未知交流信号发热量与已知直流信号发热量进行比较，交流信号的 RMS 值则等同于在该负载下产生相同热量所需的直流电流量。当负载中的耗散功率相等时，已知直流电压等于未知交流信号的 RMS 值。

例如，如果对某个阻性加热元件施加 1 V 交流电 RMS，则产生的热量等于 1 V 直流电所产生的热量。事实上，在进入电子时代之前的一些 RMS 直流电表使用的方案中，直流源和未知 RMS 源是让相同的电阻器发热。然后对直流源进行调节，以便让电阻器温度匹配；这样就可以指示 RMS 值。

幸运的是，通过使用全模拟计算配置，IC 让确定 RMS 值变得非常简单（图 1）。在此电路中，Analog Devices 的 AD628 可编程增益差分放大器（此处配置的衰减系数为 25）缩小了电源线路信号，然后将其施加到 Analog Devices 的 AD8436 RMS 至直流转换器。


图 1：这个双 IC 全模拟电路提供直流输出，代表交流电源线的 RMS 输入。（图片来源：Analog Devices）

该差分放大器具有 ±120 V 的共模输入和差模范围，因而非常适合高压电源线分流。在 RMS OUT 端提供交流波形 RMS 值的精确直流等效值。

当今的交流线路实际情况提出更多要求

虽然全模拟 RMS-DC 方法行之有效，却仅仅是提供 RMS 值。在当今的电能管理环境中，除了 RMS 值之外，系统还必须掌握有关单相交流波形的更多信息。

实际上，由于交流电压并非纯净的正弦波，而是相对于标称值具有很多偏差，而且还存在失真，因此让这个问题进一步复杂化。此外，负载很少是纯电阻，因而电压波形和电流波形之间存在相移。总的来说，有一些属性只能通过更多数字化驱动的数值分析来确定。

鉴于交流线路的当前现状，Analog Devices 提供的具有自动校准功能的 ADE9153A 电能计量 IC 能够大展身手（图 2）。其目标应用包括单相电度表、电能和功率测量、街道照明、智能配电系统、机器运行状况监测等等。通过 ADE9153A 的 10 MHz 高速串行外设接口 (SPI) 端口，可以访问 ADE9153A 寄存器。该端口的供电电压为 3.3 V，采用 32 引脚 LFCSP 封装。


图 2：具有自动校准功能的 ADE9153A 电能计量 IC 面向单相应用，其内部模拟和数字功能块可用于详细的分析。（图片来源：Analog Devices）

ADE9153A 不仅仅是提供交流线路电压和电流值的基本数字化功能。其先进的计量引擎可以计算与电能/功率相关的重要结果，还可以计算线路电压和电流、有功电能 (Wh)、基本无功电能 (VARh)、视在电能、电流和电压 RMS。

此外，ADE9153A 还提供电能质量监测，例如过零检测、线路周期计算、角度测量、骤升和骤降、峰值和过流检测、功率因数 (PF) 测量。与此同时，该器件还能满足监管机构制定的各种标准，例如有功电能标准（IEC 62053-21；IEC 62053-22；EN50470-3；OIML R46；ANSI C12.20）和无功电能标准（IEC 62053-23 和 IEC 62053-24）。

性能源自传感器通道

在使用任何先进电能计量器件的情况下，所达到的实际性能在很大程度上取决于有效可靠的传感器通道。ADE9153A 通过两种方法解决这些问题：电流和电压传感器的适当物理连接、独特的校准机制。

ADE9153A 有两个电流通道。通道 A 是一个优化的复杂数据路径，适合分流器使用。图 3 显示了简化和详细版本。


图 3：所示为简化的应用电路，分流器电流传感器位于电流通道 A（上）；还有详细的电流通道 A 数据路径（下）。（图片来源：Analog Devices）

通道 B 可用于电流互感器，图 4 显示了简化和详细版本。请注意，电流通道 B 中包括一个数字积分器，可用于连接 di/dt 电流传感器（例如罗氏线圈）。


图 4：所示为应用电路，在电流通道 B 上电流互感器用作电流传感器（上）；还有详细的电流通道 B 数据路径（下）。（图片来源：Analog Devices）

同样，ADE9153A 具有自带数据路径的单个电压通道。图 5 显示了简化和详细版本。


图 5：所示为简化的应用电路，通过电阻分压器来感应电压（上）；还有电压通道数据路径的更详细原理图（下）。（图片来源：Analog Devices）

为了应对通道校准的长期挑战，ADE9153A 提供了 mSure 自动校准功能，可以显著减少校准时间和工作量，并降低了设备成本。在将分流电阻器用作电流传感器时，此功能让计量表能够自动校准电流和电压通道，而无需准确的源表或标准表。

只要为计量表加电，即可测量每个通道的转换常数 (CC)。该值本身就足以执行自动校准（CC 是 mSure 在估算传感器和前端的传递函数时所返回的值）。mSure 自动校准支持工业标准 1 类和 2 类计量表。虽然没有任何一个数字可以全面地体现该 IC 的精度，但我们可以大致推断其精度为 1% 左右。

综合应用

诸如 ADE9153A 等先进 IC 虽然功能强大且十分精密，但要进行组装并发挥其全部潜力绝非易事。为了解决这个问题，Analog Devices 为 ADE9153A 编写了一份长达 50 页的规格书，还附带了其他一些文档，其中提供有关印刷电路板布局最佳实践的详细信息，以及其他技术见解（请参见“相关内容”）。

EV-ADE9153ASHIELDZ 评估扩展板提供更多的设计导入支持，该板基于 Arduino 盾板平台（图 6）。这块盾板带有板载分流电阻器，可用于线路电流测量；并能对采用 ADE9153A 的电能计量系统进行快速评估和原型开发。


图 6：EV-ADE9153ASHIELDZ 评估扩展板是一种 Arduino 盾板，可加快对采用 ADE9153A 的电能计量系统进行评估和原型开发。（图片来源：Analog Devices）

在线路电流测量中，板载分流器处理的标称电流为 5 A，最大电流为 10 A。该分流器支持最大 240 V RMS（标称值）相电压测量。

另外，还提供适用于 ADE9153A 的 Arduino 资源库和应用实例，目的是简化大型系统的实现。若使用 mSure 自动校准功能，便可校准该盾板来计量能量，并且在动态范围内可实现 1% 的精度，无需使用成本昂贵的校准设备。

结语

为了满足当前节能型交流线路测量要求，设计人员若是凭借基本的 RMS-DC 转换器，则无法应对所面临的各种挑战。相反，他们必须以数字化方式生成交流线路的电压和电流值，然后应用计算函数，确定很多必需的功率和能量参数。Analog Devices 的 ADE9153A 提供实现此目标所必需的功能和精度，而且提供电压和电流输入信号接口数据路径、内部计量引擎内核和标准 SPI 接口。