采用TI 能耗測量IC簡化輔助計量

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(如服務器功率表)則可幫助 IT 部門優(yōu)化服務器群的功耗。在設計輔助計量表時，像傳感器、模擬前端 (AFE) 組件和微控制器 (MCU) 的選擇之類的考慮因素對于決定總體系統(tǒng)成本與復雜性有著舉足輕重的影響。作為一款有效的實施方案，其應易于設計并具有低量產(chǎn)成本，同時滿足應用的主要需求 - 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，不過本文將專門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(見圖 1)，也可以集成在電器設備(見圖 2)或服務器中。不管是哪一種形式，輔助計量表通常執(zhí)行的是下列功能：

· 測量某種電器設備的實時能耗。

· 將能耗數(shù)據(jù)傳送給用戶。這可以利用輔助計量表自身上的一個簡單的 LCD 讀出器完成。或者，輔助計量表也能夠以無線或有線通信的方法將數(shù)據(jù)傳送到一個遠程終端，前者采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技術，而后者則使用串行端口或電力線通信 (PLC) 技術。

· 輔助計量表可以選擇具備對輸送至電器設備的功率實施調(diào)節(jié)的能力。例如：在尖峰負荷時間關斷電器設備或從某個遠程位置進行控制。

用于能耗測量的組件

能耗測量系統(tǒng)需要使用電壓和電流傳感器、一個用于連接這些傳感器的 AFE 和一個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，或通過串行總線發(fā)送至其他設備以進行無線通信，如下一頁上的圖 2 所示。

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

圖 2：能耗測量系統(tǒng)方框圖

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

式中的 Vsamp 為電壓樣本，Isamp 為電流樣本，N 為樣本數(shù)量。

能耗測量的第一步是分別采用電壓和電流傳感器來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)進行分壓，從而適合模數(shù)轉(zhuǎn)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，假如超過此電壓就會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 1MΩ 電阻器，則允許使用標準電阻器，而不會超過其最大額定電壓。

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，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，可以在中性線中布設一個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。分路電阻器的特點是成本低廉且簡單易用，但其并未提供電隔離。對于諸如干衣機和炊事爐具等使用分相電源的電器而言，在兩條載電線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源接口電路，負責在輸入信號饋入 ADC 之前對其做進一步的調(diào)節(jié)。該電路包括一個濾波器，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 ADC：一個用于測量電壓，另一個用于測量電流。而對于干衣機和炊事爐具，則需要 4 個 ADC，用于測量兩個電壓和兩個電流。可采用具有 16 位或 24 位分辨率及同時采樣能力的 ADC 來生成準確的能耗測量結果。

能耗測量及報告

能耗測量計算利用由 ADC 收集的電壓和電流樣本來完成。由下式可見，為了計算有功能耗 (active energy)、無功能耗 (reactive energy) 或表觀能耗 (apparent energy)，MCU 必須具備針對諸如平方根、平方和除法等常用函數(shù)的優(yōu)良數(shù)學庫。

式中的 Vsamp 為電壓樣本，Isamp 為電流樣本，N 為樣本數(shù)量。

一旦計算出能耗測量結果，即可利用輔助計量表自身或一個遠程終端上的 LCD進行顯示。MCU 可通過串行通信接口與 LCD 驅(qū)動器或無線通信模塊相連。倘若采用的是分路電阻器和分壓器之類的非隔離傳感器，抑或 AFE 和 MCU 以饋電線電壓為基準，則應對連接至其他采用不同基準電壓的器件或系統(tǒng)的所有線路進行隔離，這一點至關緊要?？刹捎霉怦詈掀骰螂娙菪愿綦x IC 來實現(xiàn)這種隔離。