工業(yè)電源測量的最新解決方案

　目前，工業(yè)市場(chǎng)呈現出更高電能利用率的趨勢，這就要求不斷改進(jìn)對電源系統的監控。對電源的適當管理與分配對工業(yè)領(lǐng)域的節能與總體電源利用情況非常重要。在制定決策和確保適當保護輸電網(wǎng)與最終用戶(hù)時(shí)，準確、實(shí)時(shí)的測量尤為重要。

   　 圖1示出了必須測量三相涌流時(shí)的典型高壓電力傳輸系統。對所生成的極高電壓必須進(jìn)行隔離和衰減，以便與低電壓測量及相應控制系統的輸入容量相匹配。通過(guò)電源變壓器進(jìn)行第一級高電壓隔離。例如，來(lái)自發(fā)電站的220 kV電壓可轉換成只有220V的較低電平。由于這一電壓對于當前的模數轉換器(ADC)還是太大，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行三相隔離。下一步是將220V的電壓轉換成可測量的±10V信號，以提供必需的控制與保護電路。負載電流測量也需要相同的隔離、測量、控制與保護；通過(guò)高壓變壓器可以重復上述操作，以降低電壓。

    　盡管輸入頻率相對較低，但每次測量的時(shí)序非常重要，這一配置使我們必須對多個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行測量。
  
   　 電壓與電流測量較常見(jiàn)的解決方案之一就是使用高壓組件。來(lái)自變壓器或變流器的信號經(jīng)濾波后可通過(guò)運算放大器加以緩沖，變壓器與運算放大器之間的必須有一個(gè)電阻、電容(RC)濾波器，用以限制電壓尖峰與輸入電流，圖2示出了采用這一配置的典型應用電路。

    　R1與C1可濾除變壓器可能產(chǎn)生的電壓尖峰。輸入電阻器R1還有助于限制瞬態(tài)輸入電流并保護運算放大器的高阻抗、非反相輸入引腳。經(jīng)R2與C2再次濾波可將運算放大器與電荷注入器件暫時(shí)隔離。電荷注入器件通常與當前的逐次逼近寄存器(SAR)架構ADC關(guān)聯(lián)。通過(guò)這種方法，可以對變壓器（通常為20 Vpp或±10 Vpp）的輸出電壓進(jìn)行緩沖并將其傳遞給ADC輸入端。

    　不過(guò)，這款簡(jiǎn)單的電路也存在一些缺點(diǎn)。首先必須使用三個(gè)電源才能讓這個(gè)電路正常工作（這也是最大的缺點(diǎn)）：運算放大器與ADC的模擬部分分別需要一個(gè)± 12 V的電源，處理器接口需要一個(gè)5 V電源。這三個(gè)電源必須專(zhuān)門(mén)用于電路的模擬測量部分，不能從用于數字處理或中繼驅動(dòng)器的任何有噪聲的輔助電源派生。同時(shí)，這些要求使得電路板布局變得極為復雜，并且不可避免地增加了多層印刷電路板(PCB)的設計成本。第二個(gè)問(wèn)題在于有限的組件數量：只有少數幾家制造商能夠提供具有±10 V輸入電壓的ADC。

    　另一個(gè)解決方案是利用低壓組件進(jìn)行電源測量。在這一特定的情況下，我們所提及的組件都是使用低成本的5 V單電源進(jìn)行模擬測量。圖3示出了使用這些低成本、低電壓組件的建議解決方案。來(lái)自隔離變壓器的±10 V信號直接傳輸至差動(dòng)放大器（例如TI公司的INA159）的輸入端。100 kΩ電阻器的高輸入阻抗與±30 V的最大輸入電壓使得這一連接成為可能。另外還可對內部電阻器進(jìn)行微調，以達到最佳的線(xiàn)性度及共模抑制比(CMRR)。

圖3 利用低壓SAR ADC組件典型應用

    　隨后可對輸出信號進(jìn)行電平轉換并衰減到0.5 V ~ 4.5 V，然后直接傳輸到ADC（例如TI公司的ADS8365）。這款全新的16位6通道同步采樣的低功耗SAR轉換器通過(guò)6個(gè)ADC提供固有的采樣和保持特性，該器件可用于電源測量應用。在該應用中，測量三相電壓與三相電流。

   　 第三種可選解決方案是使用ΔΣ ADC來(lái)轉換輸入信號。使用ΔΣ ADC轉換器進(jìn)行測量的主要優(yōu)勢之一是可以使用數字濾波器。數字濾波器不僅能夠濾除轉換器的量化噪聲，而且還能以固有的方式對此類(lèi)應用中存在的較大噪聲定形，并將其排除在信號頻帶之外。在某些測量中除采用前面提到的6通道外還增加了另外兩個(gè)通道。在這些情況下，也可以測量零線(xiàn)(neutral line)電壓與電流。ΔΣ轉換器（例如TI公司的ADS1204）具有四個(gè)16位性能獨立的ΔΣ調制器。通過(guò)使用兩個(gè)ADS1204轉換器，可以同時(shí)從 8個(gè)輸入通道獲得測量數據。

　    圖4說(shuō)明了四通道解決方案。INA159可對來(lái)自變壓器的輸入信號進(jìn)行衰減并調節電平。ADS1204將此信號數字化，并提供位流輸出�？删幊虜底譃V波器（本例中為T(mén)I公司的AMC1210）可處理該位流并提供16位二進(jìn)制輸出，DSP或微控制器可利用該輸出提供測量與控制算法功能。在這一特定的情況下，對于實(shí)時(shí)工業(yè)測量，推薦使用TI公司的TMS320F280x。

    總結

    　當系統電源監視設備的設計存在非常高的電壓時(shí)，可以使用現有的組件來(lái)創(chuàng )建簡(jiǎn)單、高性能、低成本電壓與電流測量解決方案，上述解決方案僅為其中的幾種而已。還有兩種簡(jiǎn)單易用的方法：具有附加對被測信號模擬濾波功能的SAR轉換器以及具有固有數字濾波器的ΔΣ轉換器。這兩款解決方案均可提供高性能測量。然而關(guān)于采用何種解決方案取決于給定應用的要求。

  　  從歷史的角度來(lái)看，發(fā)電站電壓和電流測量之間的隔離由變壓器提供，并且已被公認為是成本最低的、長(cháng)期可靠的解決方案。最近我們還推出了其它的隔離技術(shù)，這些技術(shù)可能允許進(jìn)行信號調節，并允許ADC轉換在隔離層的發(fā)電站一端進(jìn)行，以提高測量準確度。這一全新的隔離技術(shù)采用電容式隔離層（例如TI公司的 ISO721）來(lái)提供高達6 kV的隔離（可能超出該值）。再參照圖4，可以在A(yíng)DS120x調制器與AMC1210數字濾波器之間實(shí)施隔離層，從而不需要再使用圖1中的其它隔離變壓器。在隨后幾個(gè)月里將推出更多的隔離產(chǎn)品，包括可在隔離層的高電位側進(jìn)行模擬測量的器件。