如何简化高精度多相电能表的设计?---凯利讯半导体

本文主要是介绍如何简化高精度多相电能表的设计?---凯利讯半导体，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

　　物联网(物联网)拥有高分辨率数据的承诺，可用于能源监测。在能源计量曾经主要局限于电力设施和客户设施之间的接口的地方，各组织正在从各个机器和设备中寻找更详细的信息。

　　设计一个精确的能量测量子系统可能是一个重大的挑战，因为它们需要仔细地注意模拟信号链和复杂的计算能力。在三相计量应用的情况下，模拟装置提供了一种单片机解决方案，即ADE9078，它极大地简化了实用仪表和电力监控应用的解决方案。

　　本文将深入探讨三相能量监测信号链的核心要求，即该链是如何演化的，然后介绍了ADE9078，以及如何实现它。

　　能量监测信号链

　　过去，工程师们依赖于分立器件和模数转换器(adc)来制造能量表。模拟前端(AFE)的出现使得工程师可以用一个集成adc、放大器和滤波器的单一设备来代替复杂的信号采集电路，从而进入一个优化的信号链。工程师可以依靠集成的AFE，将适当条件的信号传递给MCU或DSP来计算功率特性，而不是处理离散解决方案所要求的设备匹配和电路优化。

　　将单片机或DSP核心集成到专业计量系统中，为开发人员提供了更有效的解决方案。利用这些设备，工程师们可以快速开发出普通单相电力线的住宅能源表。

　　对于更复杂的三相能量测量，开发人员除了再一次使用高性能的多通道adc和放大器构建自定义信号链之外，没有找到有效的选择。然而，使用这种方法，开发人员需要处理的挑战不仅仅是构建调优信号链，还要确保每个阶段的度量同步。工程师们通常选择使用一个单独的AFE来代替多相仪表，如图1所示。

　　结合单独的单相AFEs和添加自定义电路的图。

　　图1:在过去，多相电能表设计人员需要结合单独的单相afe和添加自定义电路来测量相依赖的参数。(图片来源:凯利讯半导体)

　　安全集成多相

　　为了满足设计人员对更有效的解决方案需求的需求，模拟设备开发了用于多相电能计量应用的ADE9078 AFE。IC集成专用计量引擎与多通道信号链由七个独立,24位法模拟-数字转换器(ADC)(图2)。在每个ADC的输入,一个可编程增益放大器(PGA)交付成果1,2,4,ADC输出反馈到四阶同步过滤器、过滤大量毁灭反走样。

　　基于dsp的计量引擎使用经过处理的线信号来生成多相位测量应用所需的全部参数。此外，该装置还支持有功和无功功率测量的国际标准。由于其±25 ppm /°C最大通道温度漂移,设备提供所需的准确性和稳定性满足要求utility-grade米降至0.2类。

　　模拟装置的图阿德9078 AFE。

　　图2:模拟设备ADE9078 AFE结合了专用的adc和一个复杂的信号链和计量引擎，提供了大量的能量测量。(图片来源:凯利讯半导体)

　　设计人员需要额外的组件来在ADE9078周围构建能量表。对于一个典型的三相四线系统，设计人员将使用一个ADE9078 ADC，每一个电压通道(a、B和C)分别使用一个简单的电阻分配器作为每个通道上的电压传感器。类似地，设备的剩余adc使用合适的电流传感器测量四个电流通道(相位A、B、C和中性)。与此同时，ADE9078消除了同步输入的关键挑战，因为adc会同时采样各自的信号。

　　ADE9078并没有强迫设计者使用如图1所示的耗电量的分流器，而是支持更高效的电流传感器选项，包括电流互感器(CTs)和Rogowski线圈。虽然该设备内置的补偿功能减轻了相位，并在CTs中获得了非线性，但内置的数字积分器支持使用高效的di/dt设备，如Rogowski线圈。

　　在实践中，设计者需要对传感器的输入进行充分的过滤，以衰减带外信号(图3)。此外，罗基诺斯基线圈可以产生显著的高频噪声，至少需要一个二阶抗混叠滤波器。设计人员还需要在电压输入中加入类似的过滤器，以消除电压和电流测量之间的相位差。

　　模拟装置的图阿德9078 AFE。

　　图3:虽然对模拟装置的传感器输入ADE9078 AFE需要基本的RC滤波器来限制高频信号，但是该设备本身集成了一些特性来补偿传感器的非线性。(图片来源:凯利讯半导体)

　　在设备内部，adc、过滤器和计量组合可以创建一个复杂的信号链(图4)。在链的每个阶段，相关的设备寄存器都允许软件对其性能进行控制。这些寄存器提供了一种校正CT传感器非线性的机制，以达到极高的测量精度。设置MTEN寄存器，设计人员可以实现中点校正来调整增益和相位补偿。此外，他们还可以调整当前信道增益，xIGAINx，以修正由于CT增益非线性而导致的增益误差，或调整相位补偿寄存器xPHCALx，以校正相位误差。

　　模拟装置E9078 AFE信号处理管道图(按全尺寸点击)

　　图4:工程师可以通过更改与不同管道阶段相关联的寄存器值，来修改ADE9078 AFE的信号处理管道的特性。(图片来源:模拟设备)

　　ADE9078提供了数百个寄存器，这些寄存器提供了对设备操作的几乎所有方面的可见性和控制。开发人员通过ADE9078的与spil兼容的接口来读取和设置设备寄存器值。例如，要读取寄存器的当前值，开发人员使用一个简单的协议，其中一个16位字组合了目标寄存器的地址和一个指示读访问的标志(图5a)。如果启用了burst模式，该设备将返回所请求的寄存器或寄存器的值(图5b)。

　　包含适当寄存器地址的简单命令头图。

　　图5:使用一个包含适当的寄存器地址(a)的简单命令头，ADE9078使用一个简单的协议来读取(此处显示)或写入单个寄存器(BURST_EN=0)或一系列寄存器(BURST_EN=1)。(图片来源:模拟设备)

　　操作模式

　　ADE9078不断监控其两种电源模式别针PM1和PM0和进入相应四种权力模式根据销水平(表1)。通常情况下,设计师将在正常模式操作设备(PSM0)提供完整的功能,并使用空闲模式(PSM3)低功率复位状态。

　　表PM0和PM1引脚运行模式的模拟装置ADE9078。

　　表1。通过设置PM0和PM1引脚的值，设计人员控制了ADE9078的运行模式。(表来源:凯利讯半导体)

　　另外两种电源模式PSM1和PSM2分别提供篡改测量和电流峰值检测。在当前峰值检测模式(PSM2)中，该设备使用其集成的低功率比较器来检查输入电流是否高于可编程阈值水平。在tamper测量模式(PSM1)中，该设备快速测量关键参数，包括IRMS、VRMS、有功功率和无功功率。由于SPI接口在这种模式下是禁用的，所以ADE9078使用它的中断pin, IRQ0和IRQ1，来表示主机处理器的明显的干扰事件。在典型的使用场景中，开发人员会在正常或空闲的操作模式之间循环，周期性地切换到PSM2来测试是否进行修改。

　　ADE9078的广泛集成功能要求在设计中部署相对较少的硬件。软件设置也同样简单。设计人员只需配置寄存器来设置信号链中的增益级别，将设备配置为50或60个Hz线，如果使用Rogowski线圈用于当前传感，则可以启用数字积分器。在将1写入设备的运行寄存器后，ADE9078开始生成的结果仅为40毫秒。通常，设计师还需要执行增益校准来解释设备制造的变化，并在使用CT传感器时进行相位校准。

　　开发支持

　　为了帮助开发人员获得ad9078的经验，模拟设备提供了EVAL-ADE9078EBZ评估板和相应的软件。设计师需要添加他们自己的CT设备或Rogowski线圈来进行电流传感。此外，还需要一个主机处理器来控制和监控ADE9078。虽然开发人员可以使用他们自己的控制器板和处理器，但是模拟设备推荐使用EVAL-SDP-CB1Z，一个基于公司的Blackfin DSP的控制器板。

　　模拟设备为自定义软件开发提供了一个免费的驱动程序，它为所有设备的数据和配置寄存器定义了助记符，并实现了前面提到的SPI协议用于读写。对于刚刚开始使用ADE9078的设计人员来说，评估板提供的基于windows的软件对于深入了解设备操作非常有用。

　　评估软件为检查寄存器、中断、电能质量和计算的能量值提供了单独的屏幕。大多数屏幕允许用户探索设备的内部。例如，在RMS屏幕上，用户可以配置信号链的不同阶段，设置寄存器值，并查看这些更改对计算RMS结果的影响(图6)。

　　模拟设备的图像EVAL-ADE9078EBZ评估套件软件。