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如何采用ADE9078实现精确多相电表的设计

物联网(IoT)拥有高分辨率数据的前景,可以对其进行能量监测分析。在能源计量曾经主要局限于电力公用事业和客户设施之间的接口的地方,组织正在寻找来自单个机器和设备的更详细信息。

设计精确的能量测量子系统可以是这是一项重大挑战,因为它们需要仔细关注模拟信号链和复杂的计算能力。在三相计量应用的情况下,ADI公司提供单芯片解决方案ADE9078 ,,大大简化了电表和电力监控应用的实施解决方案。

文章将深入探讨三相能量监测信号链的核心要求,该链如何演变,然后介绍ADE9078以及如何实现它。

能量监测信号链

工程师过去依靠分立器件和模数转换器ADC)来构建电表。模拟前端(AFE)IC的出现使工程师能够用一个将ADC,放大器滤波器集成到一个优化信号链中的器件取代复杂的信号采集电路。工程师可以依靠集成的AFE向MCUDSP提供适当调节的信号,以计算功率特性,而不是处理分立解决方案所需的器件匹配和电路调谐。

MCU的集成或者将DSP核心转换为专门的计量AFE,为开发人员提供了更有效的解决方案。使用这些设备,工程师可以快速开发用于普通单相电力线的住宅电表。

对于更复杂的三相电能测量,开发人员发现除了再次使用高电平建立自定义信号链之外,几乎没有其他有效选择性能多通道ADC和放大器。然而,使用这种方法,开发人员不仅要应对构建调谐信号链的挑战,还要确保每个阶段的测量同步。工程师通常选择使用单相AFE进行多相电表设计,如图1所示。

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图1:过去,多相能量仪表设计人员需要组合单独的单相AFE并添加定制电路以测量相位相关参数。 (图片来源:ADI公司)

集成多相AFE

认识到设计人员需要解决日益增长的对更高效解决方案的需求的解决方案,ADI公司专门针对多相能源开发了ADE9078 AFE计量应用。该IC集成了一个专用计量引擎和一个由7个独立的24位Σ-Δ模数转换器(ADC)驱动的多通道信号链(图2)。在每个ADC的输入端,可编程增益放大器(PGA)提供1,2或4的增益,而ADC输出馈入四阶同步滤波器和抽取滤波器以进行抗混叠。

基于DSP的计量引擎使用经过处理的线路信号生成多相测量应用所需的全部参数。此外,该器件还支持有功和无功电能测量的国际标准。由于其最大通道温度漂移为±25 ppm/°C,因此该设备可提供所需的精度和稳定性,以满足低至0.2级的公用级仪表的要求。

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图2:ADI公司的ADE9078 AFE将专用ADC与先进的信号链和计量引擎相结合,可提供多种能量测量。 (图像来源:ADI公司)

设计人员需要很少的额外组件来围绕ADE9078构建电表。对于典型的三相四线制系统,设计人员将在三个电压通道(A相,B相和C相)中分别使用ADE9078 ADC,并在每个通道上使用一个简单的电阻分压器作为电压传感器。同样,器件的剩余ADC将使用适当的电流传感器测量四个电流通道(A相,B相,C相和中性点)。同时,ADE9078消除了同步输入的关键挑战,因为ADC同时采样各自的信号。

ADE9078不是强制设计人员使用如图1所示的耗电电流分流器。支持更高效的电流传感器选项,包括电流互感器(CT)和Rogowski线圈。虽然该器件的内置补偿功能可减轻CT中的相位和增益非线性,但其内置的数字积分器可以使用高效的di/dt器件,如Rogowski线圈。

实际上,设计人员需要充分过滤传感器输入以衰减带外信号(图3)。此外,Rogowski线圈会产生显着的高频噪声,至少需要二阶抗混叠滤波器。设计人员还需要在电压输入上加入类似的滤波器,以消除电压和电流测量之间的相位差。

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图3:虽然ADI公司ADE9078 AFE的传感器输入需要基本的RC滤波器来限制高频信号,但器件本身还集成了补偿功能用于传感器非线性。 (图像来源:ADI公司)

在器件本身内,ADC,滤波器和计量相结合,创造了一个复杂的信号链(图4)。在链的每个阶段,相关的设备寄存器允许软件控制它们的性能。这些寄存器提供了一种校正CT传感器非线性的机制,以实现非常高的仪表精度。设置MTEN寄存器,设计人员可以实现中点校正,以调整增益和相位补偿。此外,它们可以调整电流通道增益xIGAINx,以校正由于CT增益非线性引起的增益误差,或者调整相位补偿寄存器xPHCALx以校正相位误差。

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图4:工程师只需更改与不同流水线级相关的寄存器值,即可修改ADE9078 AFE信号处理流水线的特性。 (图片来源:ADI公司)

ADE9078提供数百个寄存器,可提供对器件操作几乎所有方面的可视性和控制。开发人员通过ADE9078的SPI兼容接口读取和设置器件寄存器值。例如,为了读取寄存器的当前值,开发人员使用一种简单的协议,其中16位字将目标寄存器的地址和表示读访问的标志组合在一起(图5a)。如果启用突发模式,器件将返回所请求寄存器的值(图5b)。

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图5:使用包含相应寄存器地址(A)的简单命令头,ADE9078使用简单的协议进行读取(此处显示)或写单个寄存器(BURST_EN = 0)或一系列寄存器(BURST_EN = 1)。 (图像源:ADI公司)

工作模式

ADE9078持续监控其两个电源模式引脚PM1和PM0,并根据引脚电平进入四种相应的电源模式之一(表1)。通常,设计人员将以正常模式(PSM0)操作设备,其提供全部功能,并使用空闲模式(PSM3)来实现低功率复位状态。

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表1.通过设置PM0和PM1引脚的值,设计人员可以控制ADE9078的工作模式。 (表格来源:ADI公司)

其他两种功耗模式PSM1和PSM2分别提供篡改测量和电流峰值检测。在电流峰值检测模式(PSM2)中,器件使用其集成的低功耗比较器来检查输入电流是否高于可编程阈值电平。在篡改测量模式(PSM1)中,设备可快速测量关键参数,包括IRMS,VRMS,有功功率和无功功率。由于SPI接口在此模式下被禁止,因此ADE9078使用其中断引脚IRQ0和IRQ1向主机处理器发出明显篡改事件的信号。在典型的使用场景中,开发人员将ADE9078在正常或空闲工作模式之间循环,周期性地切换到PSM2以测试篡改。

ADE9078的广泛集成功能需要相对较少的额外硬件才能进行部署。一个设计。软件设置同样简单。设计人员最低限度只需要配置寄存器来设置信号链中的增益电平,将器件配置为50或60 Hz线路,如果使用Rogowski线圈进行电流检测,则启用数字积分器。将1写入器件的运行寄存器后,ADE9078将在短至40 ms内开始生成结果。通常,设计人员还需要执行增益校准以考虑器件制造变化,并在使用CT传感器时执行相位校准。

开发支持

帮助开发人员获得ADE9078的使用经验,ADI公司提供EVAL-ADE9078EBZ评估板和附带软件。设计人员需要添加自己的CT设备或Rogowski线圈进行电流检测。此外,SPI控制和监控ADE9078还需要一个主机处理器。虽然开发人员可以使用他们自己的控制器板和处理器,但ADI公司建议使用基于该公司Blackfin DSP的控制器板EVAL-SDP-CB1Z。

ADI公司提供免费的定制软件开发驱动程序为所有设备的数据和配置寄存器定义助记符,并实现前面提到的用于读写的SPI协议。对于刚刚开始使用ADE9078的设计人员而言,评估板随附的基于Windows的软件对于深入了解设备操作特别有用。

评估软件提供单独的屏幕,用于检查寄存器,中断,电源质量和计算的能量值。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,并查看这些变化对计算出的RMS结果的影响(图6)。

如何采用ADE9078实现精确多相电表的设计

图6:与ADE9078评估板一起,ADI公司EVAL-ADE9078EBZ评估套件包含的软件可让工程师探索和修改内部器件特性,包括这里显示的信号链。 (图片来源:ADI公司)

结论

过去,设计人员在构建精确的多相电表方面面临着重大挑战。可用的方法需要设计自定义信号链或组合单相AFE。尽管如此,这些方法几乎无法满足与高电压和电流信号的高性能测量相关的各种要求。

为帮助设计人员满足客户对更小,更简单,更高效解决方案的需求,器件ADE9078将复杂的信号链与专用ADC集成在一个器件中,简化了设计,同时消除了多相电能表设计的传统障碍。利用ADE9078,设计人员可以快速实施复杂的解决方案,以满足能量计量要求的性能,精度和可靠性。


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