采用TI能耗測量 IC 簡(jiǎn)化輔助計量

作者：時(shí)間：2017-02-06 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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引言

諸如智能插頭和電器電度表等輔助計量 (sub-metering) 應用使消費者能夠了解和控制其電能使用狀況。其他的輔助計量應用（如服務(wù)器功率表）則可幫助 IT 部門(mén)優(yōu)化服務(wù)器群的功耗。在設計輔助計量表時(shí)，像傳感器、模擬前端 (AFE) 組件和微控制器 (MCU) 的選擇之類(lèi)的考慮因素對于決定總體系統成本與復雜性有著(zhù)舉足輕重的影響。作為一款有效的實(shí)施方案，其應易于設計并具有低量產(chǎn)成本，同時(shí)滿(mǎn)足應用的主要需求－可靠地測量和報告電能消耗信息。本文將討論 MSP430AFE2xx IC1 在能耗測量應用中的特性與優(yōu)勢。雖然 MSP430AFE2xx 完全適合公用事業(yè)級電力表中的能耗測量，不過(guò)本文將專(zhuān)門(mén)討論其在輔助計量中的應用。在本文中，輔助計量指的是非公用事業(yè)型的電能計量應用，例如：智能插頭、電器電度表和服務(wù)器功率表。

輔助計量表的功能

輔助計量表的形式可以是智能插頭（見(jiàn)圖 1），也可以集成在電器設備（見(jiàn)圖 2）或服務(wù)器中。不管是哪一種形式，輔助計量表通常執行的是下列功能：

測量某種電器設備的實(shí)時(shí)能耗。

將能耗數據傳送給用戶(hù)。這可以利用輔助計量表自身上的一個(gè)簡(jiǎn)單的 LCD 讀出器完成?；蛘?，輔助計量表也能夠以無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)通信的方法將數據傳送到一個(gè)遠程終端，前者采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技術(shù)，而后者則使用串行端口或電力線(xiàn)通信 (PLC) 技術(shù)。

輔助計量表可以選擇具備對輸送至電器設備的功率實(shí)施調節的能力。例如：在尖峰負荷時(shí)間關(guān)斷電器設備或從某個(gè)遠程位置進(jìn)行控制。

用于能耗測量的組件

能耗測量系統需要使用電壓和電流傳感器、一個(gè)用于連接這些傳感器的 AFE 和一個(gè)負責完成能耗測量計算的 MCU。能耗測量結果可顯示在 LCD 屏之上，或通過(guò)串行總線(xiàn)發(fā)送至其他設備以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，如下一頁(yè)上的圖 2 所示。

圖 1：MSP430™ 能源看門(mén)狗 (Energy Watchdog)2 智能插頭參考設計

圖 2：能耗測量系統方框圖

功率是瞬時(shí)電壓與電流的乘積。如下面的公式所示，有功能耗為功率的時(shí)間積分，以千瓦-小時(shí) (kWh) 為單位來(lái)表示。

式中的 Vsamp 為電壓樣本，Isamp 為電流樣本，N 為樣本數量。

能耗測量的第一步是分別采用電壓和電流傳感器來(lái)測量輸入電壓和負載電流。

選擇電壓和電流傳感器

在輔助計量表中，可以采用簡(jiǎn)單的電阻分壓器作為電壓傳感器。應選擇正確的電阻值以對交流電源電壓（通常為 230 VAC 或 120 VAC）進(jìn)行分壓，從而適合模數轉換器 (ADC) 的輸入范圍。圖 3 中所示的電阻分壓器電路可用于將 230 VAC 的交流電源電壓分壓至大約 350 mV RMS（其峰值為 495 mV），然后再饋送至 ADC 的正輸入3。電阻器具有最大額定電壓，假如超過(guò)此電壓就會(huì )在電阻器本體上引起電弧。如果采用串聯(lián)的分立電阻器（R1、R2 的 R3）替代單個(gè) 1MΩ 電阻器，則允許使用標準電阻器，而不會(huì )超過(guò)其最大額定電壓。

圖 3：MSP430AFE2xx 能耗測量 IC 的電壓檢測電路

電壓傳感器的另一種替代選擇是電壓變換器，其可提供與高電壓交流電源的隔離。不過(guò)，與分立式電阻器相比，電壓變換器較為昂貴。

電流傳感器的選擇取決于家用電器所使用的輸入交流電源的類(lèi)型。在美國，諸如冰箱和洗衣機等家用電器依靠單相 120 VAC 電源運作，而大功率電器（比如：干衣機和炊事電爐等）則采用分相 240 VAC 電源工作。對于單相應用，可以在中性線(xiàn)中布設一個(gè)低阻值的分路電阻器（圖 4），并可測量分路兩端的電壓降以計算電流。分路電阻器的阻值由負載電流的范圍、ADC 的增益設定值和傳感器上的功率耗散決定。分路電阻器的特點(diǎn)是成本低廉且簡(jiǎn)單易用，但其并未提供電隔離。對于諸如干衣機和炊事?tīng)t具等使用分相電源的電器而言，在兩條載電線(xiàn)上均必須采用電流變換器。電流變換器可提供電隔離，但成本要比分路電阻器高。

圖 4：MSP430AFE2xx 能耗測量 IC 的電流檢測電路

位于檢測級之后的是無(wú)源接口電路，負責在輸入信號饋入 ADC 之前對其做進(jìn)一步的調節。該電路包括一個(gè)濾波器，用于消除有可能導致不準確測量的寄生寬帶噪聲。對于單相家用電器（如冰箱），需要兩個(gè) ADC：一個(gè)用于測量電壓，另一個(gè)用于測量電流。而對于干衣機和炊事?tīng)t具，則需要 4 個(gè) ADC，用于測量?jì)蓚€(gè)電壓和兩個(gè)電流?？刹捎镁哂?16 位或 24 位分辨率及同時(shí)采樣能力的 ADC 來(lái)生成準確的能耗測量結果。

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