分析智能電表設計的挑戰

很多時(shí)候，開(kāi)發(fā)計量芯片的設計人員甚至沒(méi)有意識到計量解決方案所面對的挑戰和需求。在這種情況下，設計人員很容易出現設計問(wèn)題，使產(chǎn)品因為小的設計缺陷而無(wú)法用于最終解決方案。

本文將介紹計量SoC設計中的一些主要問(wèn)題，并提出一些能夠實(shí)現預期目標的解決方案。同時(shí)，本文還使SoC設計人員能夠提前了解挑戰，從而能夠從容應對并設計出有效的解決方案。

挑戰1：精確度

精確度是計量應用獲得成功的關(guān)鍵，因為服務(wù)提供商絕不會(huì )采用無(wú)法準確測量的儀表。精確度對于電表應用來(lái)說(shuō)尤為重要，因為與天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴(lài)模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測量電流和電壓的電平(因為片外ADC會(huì )增加最終解決方案的價(jià)格)。另一方面，燃氣流量計使用片外傳感器感應氣體流的速度。

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字接口，因此整體精度對SoC的依賴(lài)性較低，更多地依賴(lài)于外部傳感器。

另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個(gè)方面：輸電線(xiàn)如何與儀表相接(使用變壓器、傳感器、Rogowski線(xiàn)圈等)以及片上AFE(模擬前端)對電壓和電流的測量精度。

因此，對于燃氣/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(hù)的角度來(lái)說(shuō)，AFE的精度是最重要的因素。通常情況下，ADC的結果決定SoC的可擴展性。

模擬系統的精度主要取決于A(yíng)DC的選擇。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是計量應用中最常用的，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)對輸入進(jìn)行采樣，并執行轉換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應用。

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ADC的性能和用例環(huán)境，可以在A(yíng)DC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定時(shí)間-穩定ADC以給出準確轉換值所需的時(shí)間。

因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應用，快速切換通道會(huì )導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。

負載線(xiàn)接口能耗計算需要在電流和電壓值之間執行多次乘法和加法運算。確定輸入負載電壓很容易；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)行測量。

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

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

分流電阻器技術(shù)使用放置在負載電流線(xiàn)路上的小(分流)電阻器。當負載電流通過(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，后者可以測量相應的電流消耗。

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

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

圖1：Rogowski線(xiàn)圈結構。

對比上述三種方式，分流電阻器技術(shù)是最便宜的；然而，該技術(shù)很難滿(mǎn)足高電流測量要求，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(xiàn)圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現出較好的線(xiàn)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)?？紤]到電流變化和消耗類(lèi)型，分流電阻器技術(shù)主要用于消費/住宅應用，Rogowski線(xiàn)圈在工業(yè)應用中的使用更廣泛。