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在上期中，我們探討了奈奎斯特規則以及如何使用抽取協助頻率規劃。
本期，為大家帶來的是《優化電能計量中隔離式電流檢測的信號鏈成本和精度》，將介紹如何利用電能計量設備，來確定需要改進的領域，從而優化信號調節和 ADC 的性能，并降低成本。
簡介
隨著我們持續轉向采用太陽能和風能等能源的更加可持續的能源網絡，我們更加需要電能計量設備來獲取有關各項能耗的詳細見解，從而確定需要改進的領域、優化使用和降低成本。需要電能計量子系統的電子終端設備類型包括智能電表、電動汽車 (EV) 充電站、電源和配電單元、智能電器、街道照明和樓宇自動化組件。這些產品的數量之多促使人們需要在電能計量解決方案中盡量降低成本，而美國國家標準協會 C12（美國）或測量儀器指令（歐洲）等地區計量標準則對精度和安全提出嚴格的要求。
圖 1 展示電能計量應用中的典型信號鏈，為簡單起見僅展示一個相位。模數轉換器 (ADC) 同時測量并數字化每個相位的電壓和電流。隨后數字信號處理提取計量參數，例如有功和無功功率和能量、線間電壓、基本功率和能量以及諧波。
圖 1：電能計量子系統信號鏈
信號鏈的基本構建模塊包括：
線電壓檢測前端（圖 1 中 A）。
電流測量傳感器 (B)。
電流傳感器與 ADC 之間的前端和信號調節器 (C)。
ADC (D)。
數字信號處理硬件 (E)。
電氣隔離 (F)。
在大多數情況下，線電壓檢測前端采用簡單的電阻分壓器實現，但其他構建模塊存在多種選擇。對于每個信號鏈組件，都需要在性能、尺寸和成本方面進行權衡。本文重點介紹電流測量傳感器、信號調節以及 ADC 的性能與成本權衡。
電能計量中使用的電流傳感器元件對比
表 1 總結了電能計量應用中使用的三種電流檢測技術的性能優勢、挑戰以及成本。電流互感器是最受歡迎的傳感器，具有動態范圍寬、耐用和插入阻抗低（非侵入式電流測量）的特點。但很可能具有所有電流檢測技術中最高的成本。分流電阻器（分流器）具有抗磁性、更小的尺寸和更低的成本，因此非常有吸引力，但熱自加熱導致缺乏隔離且在較高電流下的精度較低。
羅氏線圈是其他兩種傳感器的替代方案且成本最低，特別是在考慮印刷電路板 (PCB) 線圈與整體式羅氏線圈的情況下。
表 1：電流傳感器對比
PCB 羅氏線圈成本低且安裝靈活，對于低成本電能計量應用極具吸引力。我們來分析一下基于 PCB 羅氏計量設計的優勢和挑戰，以及如何優化信號鏈來盡量降低成本，同時滿足地區計量標準。
電能計量中使用的 PCB 羅氏線圈的
靈敏度與 ADC 噪聲性能
PCB 羅氏線圈靈敏度通常以微伏每安培為單位，取決于幾何形狀（匝數、線圈尺寸）、磁芯材料（如有）、電流頻率以及環境因素（溫度、濕度、外部磁場）。常見的靈敏度范圍從數十微伏到數百微伏每安培。
住宅電表測量 250mA 均方根 (RMS) 相電流的常見精度要求為 2%。例如使用 200μV/A 羅氏線圈時，該相電流ADC 輸入端信號僅為 200μV/A × 0.250A = 50μV。以 2%的精度測量該信號所需的 ADC 性能（即確定有效分辨率的噪聲）低至 0.02 × 200μV/A × 0.250A = 1μV，通過方程式 1 定義：
方程式 1
其中，VnADC 是 ADC 所需噪聲水平，tol 是給定相電流 Iphase-rms （單位為安培）的指定測量精度（以百分比表示），k 是羅氏線圈的靈敏度常數（單位為微伏每安培）。
因此，此示例中 ADC 的總噪聲（量化噪聲加白噪聲）需要低于 1μV。
對比 1μV ADC 噪聲要求與德州儀器 (TI) ADS131M08 等精密 ADC 的規格，顯然達到預期性能水平可能需要對 ADC 樣本進行額外的平均。表 2 展示此平均過程，同時還展示過采樣率 (OSR) 定義的各種增益設置和數據速率下的總 ADC 噪聲（單位為 RMS 微伏）。當增益為 1 且采樣率為 4kSPS (OSR = 1,024) 時，ADC 噪聲約為 5μVrms。平均時間翻倍時噪聲以 √2 的系數提高，因此要滿足 ADC 噪聲 <1μV 的要求，需要時間周期 ≥16ms。這對于大多數電能計量系統來說可以接受，此類系統通常需要 20ms 的更新速率。此類平均實際上可以通過結合使用 Δ-Σ ADC 的內部過采樣率 (OSR) 功能和外部后平均進行 ADC 內部過采樣來實現。
表 2 建議采用的另一種選擇是為 ADC 內部的可編程增益放大器 (PGA) 選擇更高的增益，以此降低以輸入為基準的噪聲。另外，也可以在信號到達 ADC 之前，使用外部增益級對信號進行預處理。但外部增益級會顯著增加信號鏈的成本。
表 2：ADC 噪聲性能與速度、平均時間和 OSR。
基于羅氏線圈的電流傳感器的
ADC 信號鏈靈敏度分析
采用低成本 PCB 羅氏電流傳感器的系統的主要考慮因素是傳感器輸出端的信號幅度通常非常小，在大多數情況下僅為幾微伏。必須仔細設計信號鏈，滿足計量標準的精度要求。此類極小信號的信號調節必須通過選擇具有內部增益的高分辨率 ADC 或在傳感器與 ADC 之間級聯外部增益級，從而包括顯著的差分增益。增加外部增益級通常會產生不利的影響，因為這會增加總成本；因此，量化需要外部增益級的解決方案以及可以避免外部增益級的時機更有意義。
表 3 介紹了三種不同的羅氏線圈，以便分析外部增益級的有效性：
線圈 A 是基于采用 PCB 羅氏線圈傳感器的高精度交流電流測量參考設計的 PCB 羅氏線圈，靈敏度約為 20μV/A。
線圈 B 是另一種專有羅氏線圈，靈敏度約為 100μV/A。
線圈 C 是市售型整體式羅氏線圈 (Pulse PA3209NL)，靈敏度約為 500μV/A。
表 3：羅氏線圈在信號鏈分析中的特性
圖 2 展示靈敏度分析的測量設置。各羅氏線圈的輸出（如表 3 所示）連接到信號調節接口板，可在其中使用四根跳線選擇或繞過基于 TI INA188 的增益級。增益定義電阻 RG（參見圖 2）為 390Ω，可產生 128 倍的可選外部增益。
儀表放大器 (INA) 接口板的輸出連接到使用獨立 ADC 的三相電流互感器電表參考設計的第 1 相電流輸入，該參考設計確實包括負載電阻器 R37 和 R38，這些電阻器僅在連接到電流互感器時才需要使用且在此分析中已物理移除。電表參考設計中的 ADC 為 TI ADS131M08，這是一款高精度、八通道、同步采樣 Δ-Σ ADC，具有 1 到 128 倍的內部增益選項。
圖 2：信號鏈分析的測量設置
圖 3 和 圖 4 展示使用 MTE PTS3.3C 源發生器和參考表測量 100mA 到 10A 的 50Hz 線路電流的電流精度。
圖 3：不同增益設置下 20μV/A 線圈測量電流精度
圖 4：不同增益設置下 100μV/A 線圈測量電流精度
對于靈敏度極低的 PCB 線圈（例如 20μV/A），通過級聯 INA 級使用 128 倍外部增益可以顯著提高精度（參見圖 3）。如上文所述，ADS131M08 本身的內部 PGA 增益（即便增益達到 128 倍）無法將較小的輸入信號充分提高到量化噪聲電平以上。
使用靈敏度 ≥100μV/A 的 PCB 線圈時（參見圖 4），選擇內部增益或外部增益會產生類似的誤差，表明此時傳感器輸出幅度遠高于相關相電流范圍的量化噪聲水平。產生誤差的絕對值高于某些收入級電能計量系統可接受的水平，此類系統的精度目標 ≤0.5%。誤差增加是在此設置中應用簡化校準程序的結果：單點（增益）校準。在典型計量設計中，應用多達三個校準步驟（偏移校準、增益校準和相位校準）可以進一步降低絕對誤差。
圖 5 和 圖 6 展示表 3 中列出的三種不同線圈的測量誤差對羅氏線圈靈敏度的依賴性。
圖 5：三種線圈在 200mA 線路電流下測量電流精度
在較小的相電流 （200mA，圖 5）和中等相電流 （5A，圖 6）的情況下，20μV/A 羅氏線圈通過采用外部增益級實現顯著改善（誤差減小）。檢測到較大的線路電流值時 (5A，圖 6)，所有誤差均減小到較小的值，符合預期。對于 100μV/A 和 500μV/A 羅氏線圈，應用 128 倍外部增益與使用內部 ADC 增益相比可實現類似的精度。
圖 6：三種線圈在 5A 線路電流下測量電流精度
結語
對于 ≥100μV/A 羅氏線圈，不需要外部增益級，從而降低電能計量信號鏈解決方案的成本。對于 <100μV/A 羅氏線圈，使用 TI ADS131M08 或類似 ADC 時，可能需要外部增益來滿足住宅電能計量精度。另外，也可以考慮使用噪聲較低、成本較高的 ADC 來避免額外的電路。
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