本文介紹了如何將電能測(cè)量IC與電流傳感器配合使用，為智能電網(wǎng)實(shí)施中的單相和三相設(shè)計(jì)提供診斷和故障檢測(cè)，隔離和恢復(fù)。

智能電表中使用的傳感器并不是特別具有挑戰(zhàn)性。檢測(cè)電壓和電流可以像線圈一樣簡(jiǎn)單，但是從這些傳感器提供有用的，復(fù)雜的數(shù)據(jù)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。現(xiàn)代智能電表需要大量數(shù)據(jù)才能反饋到公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論是本地聚合器還是中央辦公室。

智能電表需要能夠在工業(yè)單相和多相電表中以最高精度確定有功電能（kWh），視在電能（kVA），無(wú)功電能（kVAR），RMS和電能質(zhì)量?jī)x器和能源監(jiān)測(cè)應(yīng)用。所有這些都需要多個(gè)通道來(lái)捕獲數(shù)據(jù)，這在過(guò)去導(dǎo)致了大型昂貴的計(jì)量系統(tǒng)。

通過(guò)集成傳感器接口和處理，有效地捕獲和處理儀表內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)是開(kāi)發(fā)此類系統(tǒng)的當(dāng)前挑戰(zhàn)。

多通道電流捕獲

ADI公司的ADE7816是一款高精度，多通道計(jì)量器件，能夠測(cè)量一個(gè)電壓通道和多達(dá)六個(gè)電流通道。它測(cè)量線路電壓和電流，并計(jì)算有功和無(wú)功能量，以及瞬時(shí)RMS電壓和電流。該器件集成了七個(gè)sigma-delta（Σ-Δ）ADC和一個(gè)高精度能量測(cè)量?jī)?nèi)核。六個(gè)電流輸入通道允許同時(shí)測(cè)量多個(gè)負(fù)載，以捕獲來(lái)自一系列傳感器的不同測(cè)量值，并在負(fù)載點(diǎn)的任何時(shí)間點(diǎn)同時(shí)確定有功，視在和無(wú)功電能。然后可以將該數(shù)據(jù)反饋到公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化功率輸送并創(chuàng)建安全且有效的反饋回路。

圖1：ADE7816計(jì)量傳感器接口將電壓通道與六個(gè)電流通道組合在一起。

電壓通道和六個(gè)電流通道均具有完整的信號(hào)路徑，可進(jìn)行全范圍的測(cè)量。每個(gè)輸入通道都支持靈活的增益級(jí)，適用于電流互感器（CT），六個(gè)片上數(shù)字積分器允許使用Rogowski線圈傳感器。這允許每個(gè)通道用于線圈或CT，具體取決于系統(tǒng)和相位要求。

Rogowski線圈

Rogowski線圈是一種低成本傳感器，它使用圍繞空芯的螺旋線圈來(lái)測(cè)量交流電流或快速電流脈沖。線圈一端的引線通過(guò)中心返回，使兩個(gè)端子位于線圈的同一端。然后將線圈纏繞在直導(dǎo)體上以測(cè)量電流。由于感應(yīng)電壓與直線導(dǎo)體中的電流變化率成比例，因此輸出連接到ADE7816中的積分器，以提供與電流成比例的輸出。

每個(gè)模擬輸入引腳都需要將一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器連接到輸入端，以防止頻率分量（高于ADC采樣速率的一半）的混疊折疊并以頻率出現(xiàn)在采樣信號(hào)中低于采樣率的一半。這是所有采樣系統(tǒng)和傳統(tǒng)電流傳感器（如電流互感器）的人為因素。應(yīng)使用一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為5 kHz的RC濾波器，使衰減在1.024 MHz的采樣頻率下足夠高。這種濾波器每十倍衰減20 dB通常足以消除混疊的影響。但是，di/dt傳感器，如Rogowski線圈，每十倍增益為20 dB。這可以抵消低通濾波器（LPF）產(chǎn)生的每十倍頻20 dB的衰減。因此，當(dāng)使用di/dt傳感器時(shí)，需要第二個(gè)極。一種簡(jiǎn)單的方法是級(jí)聯(lián)一個(gè)額外的RC濾波器，從而產(chǎn)生每十倍衰減-40 dB。

圖2：使用ADE7816對(duì)Rogowski線圈進(jìn)行抗鋸齒處理。

ADE7816通過(guò)片上儀表寄存器提供更高級(jí)別的集成，可通過(guò)SPI或I2C接口訪問(wèn)。專用的高速接口，即高速數(shù)據(jù)捕獲（HSDC）端口，可與I2C配合使用，以提供對(duì)實(shí)時(shí)ADC輸出信息的訪問(wèn)。通過(guò)兩個(gè)外部中斷引腳可訪問(wèn)全范圍的電源質(zhì)量信息，如過(guò)流，過(guò)壓，峰值和下陷檢測(cè)，IRQ0和IRQ1中斷線可通過(guò)有功電能信號(hào)路徑訪問(wèn)（圖3）。

圖3：ADE7816中的有功電能信號(hào)路徑。

電源和設(shè)置

在功率計(jì)等高壓環(huán)境中，為設(shè)備供電是至關(guān)重要的考慮因素。要為ADE7816供電，應(yīng)在VDD引腳與AGND和DGND引腳之間提供3.3 VDC輸入電壓。此外，PULL_HIGH和PULL_LOW引腳必須分別連接到3.3 V和AGND。此配置如圖4所示。

圖4：為ADE7816供電。

ADE7816內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)電源監(jiān)控器，用于監(jiān)控電源（VDD）。當(dāng)施加到VDD引腳的電壓低于2 V±10％時(shí)，芯片處于無(wú)效狀態(tài)。 VDD超過(guò)2 V±10％閾值后，電源監(jiān)控器將ADE7816保持在無(wú)效狀態(tài)另外26 ms。此時(shí)間延遲允許VDD達(dá)到3.3 V - 10％的最小額定工作電壓。當(dāng)滿足最小指定工作電壓且PULL_HIGH和PULL_LOW引腳分別連接到VDD和AGND時(shí)，內(nèi)部電路使能。該過(guò)程在大約40毫秒內(nèi)完成。

當(dāng)啟動(dòng)序列完成且ADE7816準(zhǔn)備好接收來(lái)自微控制器的通信時(shí)，RSTDONE標(biāo)志位在STATUS1寄存器（地址0xE503）中。 IRQ1引腳觸發(fā)外部中斷。 RSTDONE中斷默認(rèn)啟用，不能禁用。這意味著外部中斷始終在上電過(guò)程或硬件或軟件復(fù)位結(jié)束時(shí)發(fā)生。

微控制器應(yīng)使用RSTDONE中斷來(lái)控制與ADE7816的第一次通信。如果未使用中斷，則可以使用超時(shí)。但是，由于啟動(dòng)順序可能因部件和溫度而異，因此建議超時(shí)至少為100 ms。 RSTDONE中斷提供了監(jiān)視ADE7816啟動(dòng)序列完成的最節(jié)省時(shí)間的方法。

AVDD和DVDD輸出引腳提供對(duì)片上模擬和數(shù)字LDO的訪問(wèn)。當(dāng)ADE7816完全上電時(shí)，這些引腳為2.5 V.如果使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，則REFIN/OUT引腳輸出1.2 V.

啟動(dòng)序列完成后，所有寄存器均為默認(rèn)值值，I2C端口是有效串行端口，可以啟動(dòng)與ADE7816的通信。對(duì)于能量和RMS計(jì)算，必須在所有配置寄存器設(shè)置為所需值后對(duì)內(nèi)部DSP上電。通過(guò)將運(yùn)行寄存器（地址0xE228）設(shè)置為0x0001來(lái)啟動(dòng)DSP。

參考電路

REFIN/OUT引腳的標(biāo)稱參考電壓為1.2 V±0.075％。 REFIN/OUT引腳可通過(guò)外部1.2 V基準(zhǔn)電壓源過(guò)驅(qū)動(dòng)。如果CONFIG2寄存器（地址0xEC01）的位0（EXTREFEN）被清除為0（默認(rèn)值），則ADE7816使用內(nèi)部參考電壓。如果位0設(shè)置為1，則使用外部參考電壓。

ADE7816內(nèi)部基準(zhǔn)電壓隨溫度略有漂移;有關(guān)溫度系數(shù)規(guī)格，請(qǐng)參閱“規(guī)格”部分（單位為ppm/°C）。溫度漂移的值因部件而異。由于參考電壓用于所有ADC，因此參考電壓的任何漂移都會(huì)導(dǎo)致電表精度偏差的兩倍。

硬件復(fù)位

要啟動(dòng)ADE7816的硬件復(fù)位，必須將引腳拉低至少10μs。 RESET引腳返回高電平后，所有寄存器都恢復(fù)為默認(rèn)值。這通過(guò)觸發(fā)ADE7816 IRQ1中斷引腳為低電平并將STATUS1寄存器中的位15（RSTDONE）設(shè)置為1來(lái)指示轉(zhuǎn)換周期結(jié)束。該位在轉(zhuǎn)換期間設(shè)置為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)更改為1。

軟件復(fù)位功能

軟件復(fù)位由CONFIG寄存器（地址0xE618）的第7位（SWRST）管理。如果位7設(shè)置為1，則ADE7816進(jìn)入軟件復(fù)位狀態(tài)，并且所有內(nèi)部寄存器都設(shè)置為其默認(rèn)值，但CONFIG2寄存器除外，該寄存器保留其現(xiàn)有值。此外，如果先前執(zhí)行了鎖定程序，則選擇使用哪個(gè)串行端口（I2C或SPI）保持不變。

當(dāng)軟件復(fù)位結(jié)束時(shí)，CONFIG寄存器中的位7（SWRST）清0，IRQ1中斷引腳設(shè)置為低電平，STATUS1寄存器中的位15（RSTDONE）設(shè)置為1. RSTDONE設(shè)置為過(guò)渡期間為0，過(guò)渡期結(jié)束時(shí)變?yōu)?。

建議將所有儀表設(shè)計(jì)為具有軟件和硬件復(fù)位功能。

評(píng)估套件

ADE7816評(píng)估套件包含一個(gè)評(píng)估板，用于評(píng)估硅片。該板包括ADE7816電能計(jì)量IC，相關(guān)濾波和隔離，允許施加高壓輸入。它還包括一個(gè)微控制器，通過(guò)ADE7816的引腳P14和PC的USB端口處理從PC到ADE7816的所有通信。

圖5：ADE7816評(píng)估板。

需要外部3.3 VDC電源，從引腳P9為ADE7816評(píng)估板供電。這為ADE7816和電路的非隔離側(cè)提供電源，包括ADE7816 IC。默認(rèn)情況下，USB連接提供電路隔離側(cè)的電源，包括微控制器。如果使用外部電源，則應(yīng)在P12上應(yīng)用此電源。使用外部電源時(shí)，跳線JP24必須更改為1，2位置。

電壓通道

電壓通道輸入應(yīng)用于P6。 ADE7816評(píng)估板設(shè)計(jì)用于直接與線電壓源連接。因此包括電阻分壓器以降低輸入電壓。圖6a顯示了電壓通道輸入的默認(rèn)配置。

圖6a：典型的電壓通道配置。

可應(yīng)用于ADE7816 VP引腳的最大信號(hào)電平相對(duì)于VN為0.5 V峰值。通過(guò)修改電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)R28和R34可以適應(yīng)任何輸入電平。

電流通道

ADE7816包括六個(gè)單端電流通道，可與電流互感器（CT）或Rogowski線圈連接。將電流通道A的傳感器輸出應(yīng)用于P1。與電壓通道類似，所有電流輸入的最大輸入峰值為0.5 V.圖6b顯示了使用CT時(shí)電流通道A的典型配置。

圖6b。典型的電流通道A配置CT。

如果使用Rogowski線圈，則不需要負(fù)載電阻。建議使用第二級(jí)抗混疊濾波器，并通過(guò)JP3A啟用。由于Rogowski線圈輸出的差分特性抵消了單極濾波器，因此需要第二級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)合適的衰減水平，如圖6c所示。

圖6c：具有Rogowski線圈的典型電流通道A配置。

電流通道B至電流通道F以類似方式配置。然而，由于電流通道D，電流通道E和電流通道F共享公共中性線，因此對(duì)于所有三個(gè)通道，中性線上僅存在單個(gè)抗混疊濾波器。

三相電表

對(duì)于電流供應(yīng)鏈中的三相電表，ADE78xx系列提供高精度，三相電能測(cè)量，帶串行接口和三個(gè)靈活的脈沖輸出。這些器件集成了二階Σ-Δ（Σ-Δ）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），數(shù)字積分器，參考電路以及執(zhí)行總（基波和諧波）有源，無(wú)功（所需）的所有信號(hào)處理（ ADE7878，ADE7868和ADE7858），視在電能測(cè)量和RMS計(jì)算，以及僅基波有功和無(wú)功電能測(cè)量（ADE7878）和RMS計(jì)算。固定功能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）執(zhí)行該信號(hào)處理。 DSP程序存儲(chǔ)在內(nèi)部ROM存儲(chǔ)器中。

ADE7854/ADE7858/ADE7868/ADE7878適用于測(cè)量各種三相配置中的有功，無(wú)功和視在功率，如三線和四線的Y形或三角形服務(wù)。 ADE78xx器件通過(guò)RMS偏移校正，相位校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)為每相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。 CF1，CF2和CF3邏輯輸出提供多種功率信息選擇：總有功功率，無(wú)功功率和視在功率，或當(dāng)前RMS值之和，以及基波有功功率和無(wú)功功率。

圖7：ADE7878多相電表接口。

該系列的所有成員都包含波形采樣寄存器，允許訪問(wèn)所有ADC輸出。這些器件還包含電源質(zhì)量測(cè)量，例如短時(shí)低壓或高壓檢測(cè)，短時(shí)高電流變化，線電壓周期測(cè)量以及相電壓和電流之間的角度。專用的高速接口，即高速數(shù)據(jù)采集（HSDC）端口，可與I2C配合使用，以提供對(duì)ADC輸出和實(shí)時(shí)功率信息的訪問(wèn)。當(dāng)ADE7868/ADE7878處于篡改狀態(tài)時(shí)，還有三種專門(mén)設(shè)計(jì)的低功耗模式可確保能量累積的連續(xù)性。

零件號(hào)WATT VAR IRMS，VRMS，

和VA di/dt基本W(wǎng)ATT

和VAR篡改檢測(cè)和

低功耗模式ADE7878是是是是是是ADE7868是是是是否是ADE7858是是是是否否ADE7854是否是是否否

結(jié)論

電流傳感器相對(duì)簡(jiǎn)單，但為智能電表生成正確的數(shù)據(jù)需要多個(gè)捕獲和集成通道以及數(shù)字信號(hào)處理。對(duì)于單相和多相系統(tǒng)，有幾種高度集成的設(shè)備可用于確定這種儀表的關(guān)鍵參數(shù)，從有功能量，視在能量和無(wú)功能量到RMS和電能質(zhì)量。單相和多相設(shè)計(jì)的評(píng)估板有助于為開(kāi)發(fā)此類系統(tǒng)提供最佳設(shè)計(jì)環(huán)境。結(jié)果