分析智能電表設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

很多時(shí)候，開(kāi)發(fā)計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)人員甚至沒(méi)有意識(shí)到計(jì)量解決方案所面對(duì)的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，使產(chǎn)品因?yàn)樾〉脑O(shè)計(jì)缺陷而無(wú)法用于最終解決方案。

本文將介紹計(jì)量SoC設(shè)計(jì)中的一些主要問(wèn)題，并提出一些能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的解決方案。同時(shí)，本文還使SoC設(shè)計(jì)人員能夠提前了解挑戰(zhàn)，從而能夠從容應(yīng)對(duì)并設(shè)計(jì)出有效的解決方案。

挑戰(zhàn)1：精確度

精確度是計(jì)量應(yīng)用獲得成功的關(guān)鍵，因?yàn)榉?wù)提供商絕不會(huì)采用無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的儀表。精確度對(duì)于電表應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤為重要，因?yàn)榕c天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測(cè)量電流和電壓的電平(因?yàn)槠?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/ADC">ADC會(huì)增加最終解決方案的價(jià)格)。另一方面，燃?xì)饬髁坑?jì)使用片外傳感器感應(yīng)氣體流的速度。

這些傳感器能夠以一系列脈沖的形式提供數(shù)字輸出，這些輸出與流速成正比。由于這些傳感器一般都采用數(shù)字接口，因此整體精度對(duì)SoC的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。

另一方面，對(duì)于電能計(jì)量，精確度取決于兩個(gè)方面：輸電線如何與儀表相接(使用變壓器、傳感器、Rogowski線圈等)以及片上AFE(模擬前端)對(duì)電壓和電流的測(cè)量精度。

因此，對(duì)于燃?xì)?水流量表來(lái)說(shuō)，精度在很大程度上取決于所連接的傳感器的精度。對(duì)于電表，精度取決于兩個(gè)因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個(gè)進(jìn)行討論。

模擬前端(AFE)從客戶的角度來(lái)說(shuō)，AFE的精度是最重要的因素。通常情況下，ADC的結(jié)果決定SoC的可擴(kuò)展性。

模擬系統(tǒng)的精度主要取決于ADC的選擇。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是計(jì)量應(yīng)用中最常用的，這兩種ADC都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)輸入進(jìn)行采樣，并執(zhí)行轉(zhuǎn)換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應(yīng)用。

然而，它們可能不適合在非常嘈雜的環(huán)境中使用。因此，根據(jù)ADC的性能和用例環(huán)境，可以在ADC輸入端使用低通濾波器過(guò)濾噪聲。同時(shí)，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時(shí)間-穩(wěn)定ADC以給出準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換值所需的時(shí)間。

因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應(yīng)用，快速切換通道會(huì)導(dǎo)致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時(shí)鐘，從而縮短穩(wěn)定時(shí)間。因此，這會(huì)提高解決方案的最終成本并增加功耗。

負(fù)載線接口能耗計(jì)算需要在電流和電壓值之間執(zhí)行多次乘法和加法運(yùn)算。確定輸入負(fù)載電壓很容易；然而，確定電流消耗的確有些困難。

家庭/工業(yè)/建筑物消耗的總電流不能饋送到芯片。然而，可以確定一個(gè)比例值(電流或電壓)并饋送到AFE，然后使用ADC進(jìn)行測(cè)量。

電流和電壓測(cè)量的比例因子是不變的，因此可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算。這種“電流測(cè)量”過(guò)程的一個(gè)限制是需要有能夠直接測(cè)量電流的低成本ADC。

另一種選擇是使用已知的負(fù)載電阻將該電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后通過(guò)ADC測(cè)量該電壓，它對(duì)應(yīng)于實(shí)際的電流消耗。這為電流測(cè)量提供了更可行的低成本解決方案，并且有各種技術(shù)可用于電流測(cè)量。一些使用最廣泛的技術(shù)包括-分流電阻器、Rogowski線圈、電流互感器。

分流電阻器技術(shù)使用放置在負(fù)載電流線路上的小(分流)電阻器。當(dāng)負(fù)載電流通過(guò)該電阻時(shí)，會(huì)形成一個(gè)小的電壓降。這個(gè)電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測(cè)量相應(yīng)的電流消耗。

電流互感器(CT)方法與普通變壓器的工作方式相同，負(fù)載電流(已消耗電流)磁通在二級(jí)CT線圈中生成少量電流，然后將電流通過(guò)負(fù)載電阻器，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。

Rogowski線圈是另一種測(cè)量電流的方法(見(jiàn)圖1)。這類線圈對(duì)于變化較大的電流也有不錯(cuò)的測(cè)量效果。然而，它們以時(shí)間差分形式提供輸出。這就是需要一個(gè)積分器獲得相應(yīng)電流值的原因。

圖1：Rogowski線圈結(jié)構(gòu)。

對(duì)比上述三種方式，分流電阻器技術(shù)是最便宜的；然而，該技術(shù)很難滿足高電流測(cè)量要求，并且存在DC偏移的問(wèn)題。電流互感器(CT)能夠比分流電阻器技術(shù)測(cè)量更多的電流，然而，它們本身也存在問(wèn)題：它們的成本更高，存在飽和、滯后和DC/高電流飽和等問(wèn)題。

第三種Rogowski線圈法的測(cè)量范圍比CT小，對(duì)大電流范圍表現(xiàn)出較好的線性特性，也不存在飽和、滯后或DC/高電流飽和問(wèn)題。

然而，它的成本只比分流電阻器略微高一點(diǎn)。考慮到電流變化和消耗類型，分流電阻器技術(shù)主要用于消費(fèi)/住宅應(yīng)用，Rogowski線圈在工業(yè)應(yīng)用中的使用更廣泛。