分析智能電表設(shè)計的挑戰(zhàn)

很多時候，開發(fā)計量芯片的設(shè)計人員甚至沒有意識到計量解決方案所面對的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設(shè)計人員很容易出現(xiàn)設(shè)計問題，使產(chǎn)品因為小的設(shè)計缺陷而無法用于最終解決方案。

本文將介紹計量SoC設(shè)計中的一些主要問題，并提出一些能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標的解決方案。同時，本文還使SoC設(shè)計人員能夠提前了解挑戰(zhàn)，從而能夠從容應(yīng)對并設(shè)計出有效的解決方案。

挑戰(zhàn)1：精確度

精確度是計量應(yīng)用獲得成功的關(guān)鍵，因為服務(wù)提供商絕不會采用無法準確測量的儀表。精確度對于電表應(yīng)用來說尤為重要，因為與天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測量電流和電壓的電平(因為片外ADC會增加最終解決方案的價格)。另一方面，燃氣流量計使用片外傳感器感應(yīng)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(shù)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(shù)字接口，因此整體精度對SoC的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。

另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個方面：輸電線如何與儀表相接(使用變壓器、傳感器、Rogowski線圈等)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/水流量表來說，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，精度取決于兩個因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個進行討論。

模擬前端(AFE)從客戶的角度來說，AFE的精度是最重要的因素。通常情況下，ADC的結(jié)果決定SoC的可擴展性。

模擬系統(tǒng)的精度主要取決于ADC的選擇。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是計量應(yīng)用中最常用的，這兩種ADC都有其各自的優(yōu)缺點。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過采樣技術(shù)對輸入進行采樣，并執(zhí)行轉(zhuǎn)換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應(yīng)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(jù)ADC的性能和用例環(huán)境，可以在ADC輸入端使用低通濾波器過濾噪聲。同時，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時間-穩(wěn)定ADC以給出準確轉(zhuǎn)換值所需的時間。

因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應(yīng)用，快速切換通道會導(dǎo)致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時鐘，從而縮短穩(wěn)定時間。因此，這會提高解決方案的最終成本并增加功耗。

負載線接口能耗計算需要在電流和電壓值之間執(zhí)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，可以確定一個比例值(電流或電壓)并饋送到AFE，然后使用ADC進行測量。

電流和電壓測量的比例因子是不變的，因此可以進行適當?shù)挠嬎?。這種“電流測量”過程的一個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(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后通過ADC測量該電壓，它對應(yīng)于實際的電流消耗。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線圈、電流互感器。

分流電阻器技術(shù)使用放置在負載電流線路上的小(分流)電阻器。當負載電流通過該電阻時，會形成一個小的電壓降。這個電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測量相應(yīng)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線圈中生成少量電流，然后將電流通過負載電阻器，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。

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

圖1：Rogowski線圈結(jié)構(gòu)。

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)很難滿足高電流測量要求，并且存在DC偏移的問題。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，它們本身也存在問題：它們的成本更高，存在飽和、滯后和DC/高電流飽和等問題。

第三種Rogowski線圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現(xiàn)出較好的線性特性，也不存在飽和、滯后或DC/高電流飽和問題。

然而，它的成本只比分流電阻器略微高一點?？紤]到電流變化和消耗類型，分流電阻器技術(shù)主要用于消費/住宅應(yīng)用，Rogowski線圈在工業(yè)應(yīng)用中的使用更廣泛。