新型隔离式ADC架构在电力监测方面的应用
传统三相电表使用电流互感器(ct)检测相电流和零线电流。ct的优势之一是能够在数百伏的电力线与电表地(通常连接到零线)之间提供固有的电隔离。ct可以实现良好的线性度；通过调整匝数比和负载电阻，可以灵活地测量各种类型的电流。然而，ct用于电表时也有一些缺点。首先，外部直流磁场可能会使ct的磁芯饱和。现在，非常强大的稀土直流磁体很容易为普通民众所获得并应用于窃电。其次，电源电子设备也能使ct饱和，例如用于分布式太阳能发电的直连逆变器，它在线路上产生直流电流。制造商可以通过屏蔽和使用直流兼容ct来克服这两种影响，但这会增加成本。有人说，无论是何种ct，都可以找到一个永磁体来干扰它。第三，ct会引入一个与线电流频率相关的测量相位延迟。如果应用仅关注线电流的基波成分，那么补偿此延迟相对容易。然而，测量谐波成分日益变得重要，而要补偿基波和所有谐波的总延迟则非常困难。
其它电流传感器在三相电表应用中使用较少，包括罗氏线圈等di/dt传感器或霍尔效应传感器。虽然这些传感器在某些应用中具有优势，但也存在特殊的困难。例如，罗氏线圈具有出色的线性度，可以检测非常高的电流，但难以制造，而且难以实现良好的抗扰度，不适合精确的低电流测量。在防窃电方面，罗氏线圈也容易受交流磁场干扰。霍尔效应传感器要求对温度失调进行主动补偿，而且本身很容易受磁场影响。
分流电阻与三相电能计量
近年来，在成本、磁场抗扰度和尺寸等因素的推动下，分流电阻在单相电表中的使用迅速增加。许多情况下，单相电表以线电压为基准，因而无需额外的隔离。在三相电表中，必须在各分流电阻与电表内核之间提供一个隔离栅，这是严重的挑战。热量也是一个问题，迫使分流电阻一般只能用于最大电流不超过120 a的电表。我们先考虑一个三相系统的a相及其负载。假设利用分流电阻来检测相电流(图1)。
我们先考虑一个三相系统的a相及其负载。假设利用分流电阻来检测相电流(图1)。
这恰好是一个单相电表配置：分流电阻位于电力线上，一个分压器检测相至零线电压。分流电阻和分压器上的电压由一个模数转换器(adc)检测。地为分流电阻与分压器共用的极点。单相电表大部分用于住宅，其最大电流一般低于120 a。这一限制加上低成本要求，使得分流电阻成为单相电能计量中使用最广泛的电流传感器。
所有三相都复制这一方案，各adc有其自己的地(图2)。
管理所有活动的微控制器(mcu)与零线处于相同的电位，为了在adc与mcu之间进行通信，必须隔离数据通道。这样，每个adc都有其自己的隔离电源(图3)。
这种电表架构已在使用：双通道adc利用光耦合器或芯片级变压器，跨越隔离栅将信息串行传输到mcu。隔离电源利用独立器件或采用芯片级变压器的隔离dc-dc转换器来构建。
理想情况下，所有相电流和电压都应同步采样，以便利用瞬时值进行全面的三相分析。但是，各相的adc读数完全独立，因为不存在adc同步。这是这种架构的第一个局限。使用电流互感器或罗氏线圈的电表则不存在这种问题，因为它们可以使用一个计量模拟前端(afe)来同时读取所有相电流和电压。
这种架构的另一个问题是高器件数：一个mcu、三个adc、三个多通道数据隔离器以及四个电源。使用ct的电表不存在这个问题，因为电路板通常具有一个mcu、一个计量afe和一个电源。
那么，如何构建一款具有分流电阻的优势，器件数对于这种架构而言最少(即一个mcu、一个电源和三个adc)，并且能对所有相电流和电压同步采样的电表呢？
隔离式adc架构
答案是构建一种集成至少两个adc、一个隔离式dc-dc转换器和数据隔离器，并能使属于不同芯片的adc同步采样数据的芯片(图4)。mcu的电源vdd也为此芯片供电。采用芯片级变压器技术的隔离式dc-dc转换器为adc的第一级提供隔离电源。一个adc检测分流电阻上的电压，另一个adc利用分压器检测相至零线电压。由分流电阻极点之一所确定的地就是芯片隔离侧的地。adc为sigma-delta型，仅第一级放在芯片的隔离侧。第一级输出的位流经过芯片级变压器，后者是隔离数据通信通道的一部分。芯片的非隔离侧收到位流，滤波后将其变为24位字，然后通过spi串行端口提供给外部。
芯片级变压器技术对这种新型adc架构的贡献最大。与光耦合器相比，adi公司获得专利的icoupler®数字隔离器更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、时序精度更佳。但这还不够。隔离式sigma-delta调制器上市已久，采用光耦合器或芯片级变压器。芯片级变压器技术的最重要贡献是伴随isopower®隔离式dc-dc转换器，它可以与adc、数字模块、隔离数据通道一同集成到一个表贴薄型封装中。
芯片级变压器的核心是空气，因此icoupler数字隔离器和isopower隔离式dc-dc转换器根本不受永磁体的影响，使得电表这一侧完全不受直流磁场干扰。这种变压器对交流磁场同样具有高抗扰度。线圈面积非常小，要影响isopower线圈运行，必须产生一个10 khz、2.8 t的磁场。换言之，为了影响芯片级变压器的行为，必须让69 ka的10 khz电流通过一根导线，并让该导线与芯片相隔5 mm。
信息利用极高频pwm脉冲传输到隔离栅另一侧。由此产生的高频电流会在电路板中传播，引起边沿和偶极子辐射。隔离式dc-dc转换器的负载仅由sigma-delta adc的第一级构成，其幅度是已知的。因此，线圈是针对已知负载进行设计，从而可以降低一般与dc-dc转换器相关的辐射，并且无需四层电路板。使用这种架构的ic时，电表制造商可以使用两层电路板，并通过所需的cispr 22 class b标准。
为使与mcu的接口尽可能简单，芯片的数字模块对来自第一级的位流进行滤波，并通过简单的从机spi串行端口提供24位adc输出。电表每一相都有一个隔离式adc，因此获得一致adc输出的挑战仍未解决。如果采用同一时钟工作，则所有相上的adc第一级可以在同一时刻采样。如果图4中的clkin信号产生自mcu，则这很容易实现。另一个方案是使用一个晶振为一个芯片产生时钟，然后利用缓冲clkout信号为所有其它隔离式adc提供时钟。控制所有隔离式adc以在同一时刻产生adc输出。现在，电表就能利用分流电阻检测电流，执行精确、全面的三相分析。
图5显示一款采用三个隔离式adc的三相电表。该电表仅有一个电源为mcu和隔离式adc供电。mcu利用spi接口从各ic读取adc输出。
上面的说明假设利用外部mcu执行计量计算。对于希望解决方案包括计量计算的电表制造商，可以将隔离式adc耦合到一个ic以执行所有计量计算，如图6所示。
基于此架构的新产品
此架构已被adi公司的一系列新产品采用：ade7913、ade7912、ade7933和ade7932。图7显示了ade7913的框图。它与图4非常相似，但有一个额外adc通道用于检测与温度传感器复用的辅助电压。该辅助电压可以是断路器上的电压，温度传感器可用于校正分流电阻的温度变化。ade7912是一个变体，无辅助电压测量功能，但有温度传感器。
ade7933和ade7932将spi接口替换为位流接口，其余特性分别与ade7913和ade7912相同。它们就是图6所示的隔离式adc。图中的计量ic已通过ade7978实现。
结束语
本文说明了一种新型隔离式adc架构。它包含一个isopower隔离式dc-dc转换器，利用mcu电源为隔离栅另一侧的多通道sigma delta adc第一级供电。adc输出的位流经过icoupler数据隔离器，由数字模块接收。此模块对其进行滤波，产生24位adc输出，可利用简单的spi接口读取。一个adc可以测量经过一个分流电阻的电流，第二个adc可以利用分压器测量相至零线电压，第三个adc可以测量辅助电压或温度传感器。它支持三相电表使用分流电阻，确保完全不受直流和交流磁场干扰，执行电流检测时不会产生任何相移，同时可降低系统总成本。小尺寸解决方案确保电路板非常小，只需安装非常少的器件。集成式isopower芯片级变压器针对已知adc负载而设计，辐射降至最低，并通过测试，利用两层电路板即可达到cispr 22 class b标准。
当然，使用分流电阻的电流检测并不局限于电能计量应用，电能质量监控、太阳能逆变器、过程监控和保护设备均可受益于这种新型adc架构。
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其它电流传感器在三相电表应用中使用较少，包括罗氏线圈等di/dt传感器或霍尔效应传感器。虽然这些传感器在某些应用中具有优势，但也存在特殊的困难。例如，罗氏线圈具有出色的线性度，可以检测非常高的电流，但难以制造，而且难以实现良好的抗扰度，不适合精确的低电流测量。在防窃电方面，罗氏线圈也容易受交流磁场干扰。霍尔效应传感器要求对温度失调进行主动补偿，而且本身很容易受磁场影响。
分流电阻与三相电能计量
近年来，在成本、磁场抗扰度和尺寸等因素的推动下，分流电阻在单相电表中的使用迅速增加。许多情况下，单相电表以线电压为基准，因而无需额外的隔离。在三相电表中，必须在各分流电阻与电表内核之间提供一个隔离栅，这是严重的挑战。热量也是一个问题，迫使分流电阻一般只能用于最大电流不超过120 a的电表。我们先考虑一个三相系统的a相及其负载。假设利用分流电阻来检测相电流(图1)。
我们先考虑一个三相系统的a相及其负载。假设利用分流电阻来检测相电流(图1)。
这恰好是一个单相电表配置：分流电阻位于电力线上，一个分压器检测相至零线电压。分流电阻和分压器上的电压由一个模数转换器(adc)检测。地为分流电阻与分压器共用的极点。单相电表大部分用于住宅，其最大电流一般低于120 a。这一限制加上低成本要求，使得分流电阻成为单相电能计量中使用最广泛的电流传感器。
所有三相都复制这一方案，各adc有其自己的地(图2)。
管理所有活动的微控制器(mcu)与零线处于相同的电位，为了在adc与mcu之间进行通信，必须隔离数据通道。这样，每个adc都有其自己的隔离电源(图3)。
这种电表架构已在使用：双通道adc利用光耦合器或芯片级变压器，跨越隔离栅将信息串行传输到mcu。隔离电源利用独立器件或采用芯片级变压器的隔离dc-dc转换器来构建。
理想情况下，所有相电流和电压都应同步采样，以便利用瞬时值进行全面的三相分析。但是，各相的adc读数完全独立，因为不存在adc同步。这是这种架构的第一个局限。使用电流互感器或罗氏线圈的电表则不存在这种问题，因为它们可以使用一个计量模拟前端(afe)来同时读取所有相电流和电压。
这种架构的另一个问题是高器件数：一个mcu、三个adc、三个多通道数据隔离器以及四个电源。使用ct的电表不存在这个问题，因为电路板通常具有一个mcu、一个计量afe和一个电源。
那么，如何构建一款具有分流电阻的优势，器件数对于这种架构而言最少(即一个mcu、一个电源和三个adc)，并且能对所有相电流和电压同步采样的电表呢？
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答案是构建一种集成至少两个adc、一个隔离式dc-dc转换器和数据隔离器，并能使属于不同芯片的adc同步采样数据的芯片(图4)。mcu的电源vdd也为此芯片供电。采用芯片级变压器技术的隔离式dc-dc转换器为adc的第一级提供隔离电源。一个adc检测分流电阻上的电压，另一个adc利用分压器检测相至零线电压。由分流电阻极点之一所确定的地就是芯片隔离侧的地。adc为sigma-delta型，仅第一级放在芯片的隔离侧。第一级输出的位流经过芯片级变压器，后者是隔离数据通信通道的一部分。芯片的非隔离侧收到位流，滤波后将其变为24位字，然后通过spi串行端口提供给外部。
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图5显示一款采用三个隔离式adc的三相电表。该电表仅有一个电源为mcu和隔离式adc供电。mcu利用spi接口从各ic读取adc输出。
上面的说明假设利用外部mcu执行计量计算。对于希望解决方案包括计量计算的电表制造商，可以将隔离式adc耦合到一个ic以执行所有计量计算，如图6所示。
基于此架构的新产品
此架构已被adi公司的一系列新产品采用：ade7913、ade7912、ade7933和ade7932。图7显示了ade7913的框图。它与图4非常相似，但有一个额外adc通道用于检测与温度传感器复用的辅助电压。该辅助电压可以是断路器上的电压，温度传感器可用于校正分流电阻的温度变化。ade7912是一个变体，无辅助电压测量功能，但有温度传感器。
ade7933和ade7932将spi接口替换为位流接口，其余特性分别与ade7913和ade7912相同。它们就是图6所示的隔离式adc。图中的计量ic已通过ade7978实现。
结束语
本文说明了一种新型隔离式adc架构。它包含一个isopower隔离式dc-dc转换器，利用mcu电源为隔离栅另一侧的多通道sigma delta adc第一级供电。adc输出的位流经过icoupler数据隔离器，由数字模块接收。此模块对其进行滤波，产生24位adc输出，可利用简单的spi接口读取。一个adc可以测量经过一个分流电阻的电流，第二个adc可以利用分压器测量相至零线电压，第三个adc可以测量辅助电压或温度传感器。它支持三相电表使用分流电阻，确保完全不受直流和交流磁场干扰，执行电流检测时不会产生任何相移，同时可降低系统总成本。小尺寸解决方案确保电路板非常小，只需安装非常少的器件。集成式isopower芯片级变压器针对已知adc负载而设计，辐射降至最低，并通过测试，利用两层电路板即可达到cispr 22 class b标准。
当然，使用分流电阻的电流检测并不局限于电能计量应用，电能质量监控、太阳能逆变器、过程监控和保护设备均可受益于这种新型adc架构。
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