隔離式ADC架構利用分流電阻進(jìn)行三相電能計量
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圖3. 具有分流電阻、獨立電源和隔離通信的三相電表
理想情況下，所有相電流和電壓都應同步采樣，以便利用瞬時(shí)值進(jìn)行全面的三相分析。但是，各相的ADC讀數完全獨立，因為不存在A(yíng)DC同步。這是這種架構的第一個(gè)局限。使用電流互感器或羅氏線(xiàn)圈的電表則不存在這種問(wèn)題，因為它們可以使用一個(gè)計量模擬前端(AFE)來(lái)同時(shí)讀取所有相電流和電壓。
這種架構的另一個(gè)問(wèn)題是高器件數：一個(gè)MCU、三個(gè)ADC、三個(gè)多通道數據隔離器以及四個(gè)電源。使用CT的電表不存在這個(gè)問(wèn)題，因為電路板通常具有一個(gè)MCU、一個(gè)計量AFE和一個(gè)電源。
那么，如何構建一款具有分流電阻的優(yōu)勢，器件數對于這種架構而言最少(即一個(gè)MCU、一個(gè)電源和三個(gè)ADC)，并且能對所有相電流和電壓同步采樣的電表呢？
隔離式ADC架構
答案是構建一種集成至少兩個(gè)ADC、一個(gè)隔離式DC-DC轉換器和數據隔離器，并能使屬于不同芯片的ADC同步采樣數據的芯片(圖4)。MCU的電源VDD也為此芯片供電。采用芯片級變壓器技術(shù)的隔離式DC-DC轉換器為ADC的第一級提供隔離電源。一個(gè)ADC檢測分流電阻上的電壓，另一個(gè)ADC利用分壓器檢測相至零線(xiàn)電壓。由分流電阻極點(diǎn)之一所確定的地就是芯片隔離側的地。ADC為sigma-delta型，僅第一級放在芯片的隔離側。第一級輸出的位流經(jīng)過(guò)芯片級變壓器，后者是隔離數據通信通道的一部分。芯片的非隔離側收到位流，濾波后將其變?yōu)?4位字，然后通過(guò)SPI串行端口提供給外部。
芯片級變壓器技術(shù)對這種新型ADC架構的貢獻最大。與光耦合器相比，ADI公司獲得專(zhuān)利的iCoupler數字隔離器更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時(shí)序精度更佳。但這還不夠。隔離式sigma-delta調制器上市已久，采用光耦合器或芯片級變壓器。芯片級變壓器技術(shù)的最重要貢獻是伴隨isoPower隔離式DC-DC轉換器，它可以與ADC、數字模塊、隔離數據通道一同集成到一個(gè)表貼薄型封裝中。
圖4. 新型ADC架構包括雙通道ADC、數據隔離和一個(gè)隔離式DC-DC轉換器
信息利用極高頻PWM脈沖傳輸到隔離柵另一側。由此產(chǎn)生的高頻電流會(huì )在電路板中傳播，引起邊沿和偶極子輻射。隔離式DC-DC轉換器的負載僅由sigma-delta ADC的第一級構成，其幅度是已知的。因此，線(xiàn)圈是針對已知負載進(jìn)行設計，從而可以降低一般與DC-DC轉換器相關(guān)的輻射，并且無(wú)需四層電路板。使用這種架構的IC時(shí)，電表制造商可以使用兩層電路板，并通過(guò)所需的CISPR 22 Class B標準。
為使與MCU的接口盡可能簡(jiǎn)單，芯片的數字模塊對來(lái)自第一級的位流進(jìn)行濾波，并通過(guò)簡(jiǎn)單的從機SPI串行端口提供24位ADC輸出。電表每一相都有一個(gè)隔離式ADC，因此獲得一致ADC輸出的挑戰仍未解決。如果采用同一時(shí)鐘工作，則所有相上的ADC第一級可以在同一時(shí)刻采樣。如果圖4中的CLKIN信號產(chǎn)生自MCU，則這很容易實(shí)現。另一個(gè)方案是使用一個(gè)晶振為一個(gè)芯片產(chǎn)生時(shí)鐘，然后利用緩沖CLKOUT信號為所有其它隔離式ADC提供時(shí)鐘?？刂扑懈綦x式ADC以在同一時(shí)刻產(chǎn)生ADC輸出?，F在，電表就能利用分流電阻檢測電流，執行精確、全面的三相分析。
圖5顯示一款采用三個(gè)隔離式ADC的三相電表。該電表僅有一個(gè)電源為MCU和隔離式ADC供電。MCU利用SPI接口從各IC讀取ADC輸出。
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