带脉冲输出的低功耗多相电能监测集成电路ADE7752A

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[组图]带脉冲输出的低功耗多相电能监测集成电路ADE7752A

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带脉冲输出的低功耗多相电能监测集成电路ADE7752A

作者：王铜李刚… 文章来源：Internet 点击数：更新时间：2007-5-17

摘要：美国ADI公司最近新推出的ADE7752A是一种高灵敏度电能监测集成电路，可在各种三相动力系统中测量在线电压电流的瞬时功率及均值功率。其内部只有模数转换及相关电路是依靠模拟电路实现的，其它信号处理均采用数字电路实现。因此，即使是在极端不利的环境及时间条件下，仍能保证较强的稳定性及灵敏度。文中主要介绍了ADE7752A的特点及其应用设计方法。
关键字：瞬时实功率；均值实功率；高稳定性

王铜李刚姜苇天津大学－ADI联合实验室

概述
ADE7752是一种高灵敏度多相能量测量集成电路，而ADE7752A则是管脚完全兼容和低功耗特性版本，二者功能相同，在本文中统称ADE7752。ADE7752的性能已超过IEC62053-2x标准要求，内部只有模数转换部分是由模拟电路来实现，而其它功能模块(如乘法器、滤波电路、加法器等)均由数字电路来实现，因此即使是在极端不利的环境条件及时间条件下，仍能保证较强的稳定性及灵敏度。ADE7752的低频输出端F1和F2可提供均值实功率信号，可用来直接驱动机电计数器或与MCU相连接，逻辑输出端CF则提供瞬时实功率信号以用于校验。ADE7752内部具有输入功率监测电路，此监测功能通过VDD引脚完成。在VDD输入电压低于4V时，器件处于无动作状态，F1、F2、CF等引脚无输出信号。其内部相位匹配电路可确保电压电流通道相匹配，内部无负载阈值则可确保在负载为零时不出现抖动现象。
表1给出了ADE7752的极限值。需要强调的是，当处于以上极限工作时，可能造成器件的永久性损坏。表1所列只是其不可超越的工作范围。
ADE7752芯片采用24引脚的SOIC封装。图1给出了ADE7752的引脚排列图表2是其引脚功能说明。

ADE7752具有一些优良特性：
● 精度高；
● 1~500范围内误差低于0.1%；
● 适应三相/三线制的“Δ”型架构及三相/四线的“Y”型架构；
● 低频输出端F1/F2可提供均值实功率信号；
● 高频输出端CF可提供瞬时功率信号以供校验之用；
● REVP可指出任一相序错误；
● F1、F2输出端直接驱动机电计数器或两相步进电机；
● 大环境及时间范围内，模数转换器及DSP均能保证高精度；
● 提供片上功率监护机制；
● 提供片上无负载保护；
● 片上参考电压为2.4 V±8% (20ppm/℃，外接退藕电容)；
● 带有低成本CMOS处理器；
● 单5 V供电，低功耗。
ADE7752的工作原理

图2所示是ADE7752的内部框图。图中，ADE7752中的电压传感器及电流传感器采集的六路信号首先要经过数模转换器变为数字信号，模数转换器采用是16位二阶∑—△器件，采样率可达833 kHz。传感器直接连接时，较宽的动态范围及抗混叠滤波器的简单设计可大大简化接口的结构。此外，应用高通滤波电路可将电流通道中的直流分量干扰信号滤除掉，这样就避免了实功率信号中由于电压及电流的偏移而产生的失真。实值功率可由瞬时功率算得，瞬时功率信号则由各相电流及电压相乘得到。为了得到实功率值，应在各相瞬时功率信号通路上安置低通滤波器。如图3所示，瞬时实功率信号通过低通滤波器得到其值。在多相位系统中，此方法可应用于各相位通路，将各通路滤波后的结果相加便可得到最终实功率信号。应用这种设计方法，可在电流、电压为任何非正弦信号的情况下得出功率信号。由于所有信号处理过程均依靠数字电路实现，因此，在不同的温度及时间条件下，均具有极高的稳定性。

ADE7752低频端的输出由实值功率信号累加产生，它代表着脉冲信号在时间上的累加，因此输出频率与均值实功率值成正比。相反，通过将均值实功率信号累加求和，也能得到实功率信号。因输出频率较高，故积分时间相对较短。CF端的输出与瞬时功率信号成正比，当负载条件稳定时，此脉冲信号可用来实现系统校验。
◇ 功率因数的考虑
当各电压信号与电流信号相位不同步时，以低通滤波从各瞬时功率信号来求实功率值的方法依然适用。假设多相通路中存在一路电流信号比电压信号滞后60°，且二者均为正弦信号，则瞬时功率为。
◇ 非正弦的电压及电流信号
在电压及电流信号为非正弦时，实功率仍可通过上述方法来求得。在实际情况中，电压电流信号中含有各次谐波，经傅立叶变换后含各谐波分量的电压电流信息可表示为：

此处，V(t)代表瞬时电压，V0为均值电压，Vn为n次谐波幅值，αn为n次电压谐波的相角。I(t)是瞬时电流，I0是直流分量，In是n次电流谐波幅值，βn是n次电流谐波的相角。
上述实功率P可表示为基波功率P1和谐波功率PN相加的形式。
即：P=P1+PN
其中

可见，当电压与电流信号中都存在谐波时，谐波实功率分量可由各谐波来求得。如得到的信号为正弦信号，说明功率分量是正确值。由于谐波实功率信号由一系列正弦信号叠加而成，所以，它能客观正确地代表功率分量。
典型应用电路
◇ 电流通道的连接

图4所示是典型的电流通道及电压通道典型连接图。图中第一个电路为电流通道连接使用的典型例子，电路中的电流变压器用来实现电流/电压变换，注意，电流通道的共模电压为AGND，信号通过两只接地电阻驱动ADE7752，这样的连接方式可使IAP及LAN端的模拟输入信号呈互补对称的差动信号。此外，通过选择电流变压器和负载电阻Rb可使差模输入电压达到最大值±500 mV。
◇ 电压通道的连接及使用
图4中的后两个电路为电压通道连接使用的两种实例，前一个电路中使用电压变压器对后级电路与主回路实现隔离。后一个电路则将ADE7752置于相线上，通过分压电阻进行线性调节，也即通过调节Ra，Rb，及VR之间的比率来获得合适的增益。
◇ 电能表的连接使用
ADE7752可采用两种方式与主回路相连，即三相四线制及三相三线制。三相四线制电路采用星型结构，相邻各相电压相位相差120°。
图5给出了ADE7752作为三相四线制连接的电能表实例图。对于该连接电路，其输入电压为：

此处的VA，VB，VC分别为各相电压。输入电流为：

此处的IA，IB，IC代表电流幅值，代表相位值。
由此可得：




由式(7)可见，当ADE7752同相电压电流的输入端连自同一通道(A，B或C通道)，各相实功率便可求得，再将各相功率值相加就得出了总功率值。此处总功率值为：

结束语
ADE7752A的突出特点是能应用于各种三相分布式系统，该器件即使在极端不利的环境条件及时间条件下仍能保证较强的稳定性及灵敏度。

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