介紹了用美國(guó)Analog Devices Inc.(簡(jiǎn)稱ADI)公司生產(chǎn)的AD7755設(shè)計(jì)的一種低成本、高精度電能表。本電能表是為單相、兩線制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但也容易適合特殊地區(qū)的設(shè)計(jì)要求，例如美國(guó)的配電系統(tǒng)通常要求居民電表采用單相、三線制系統(tǒng)。采用AD7755設(shè)計(jì)電子式電能表是一種電能測(cè)量的低成本單片解決方案。設(shè)計(jì)目的按照1級(jí)和2級(jí)交流有功功率電能表國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC1036(1996-09)，作為本設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。
　　為滿足多種情況下的精度要求，例如功率因數(shù)(PF)等于1時(shí)的精度要求和PF較低(PF＝±05)時(shí)的精度要求，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過基本技術(shù)指標(biāo)。另外電能表的動(dòng)態(tài)范圍也超過500。IEC1036標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在5%Ib～I(xiàn)max電流范圍內(nèi)達(dá)到規(guī)定的精度要求。圖1示出了用AD7755設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單、低成本電能表工作原理圖。為了給AD7755提供必要的電流電壓轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用分流器，并且為衰減線電壓采用了簡(jiǎn)單的分壓網(wǎng)絡(luò)。電能記錄器(kWh)是一種用兩相步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的簡(jiǎn)單機(jī)電式計(jì)度器。AD7755的F1，F(xiàn)2腳能夠直接驅(qū)動(dòng)這種計(jì)度器，CF腳還可提供儀表常數(shù)為3200imp/kWh(脈沖數(shù)/千瓦小時(shí))的高頻輸出，所以這種高頻輸出可用LED和光電耦合器輸出。這種高頻輸出還可加快電表的校驗(yàn)過程，從而為生產(chǎn)電表提供一種快捷的校驗(yàn)方法。本設(shè)計(jì)利用電阻網(wǎng)絡(luò)R5～R14改變線電壓的衰減來校驗(yàn)電表。

1 設(shè)計(jì)原理
　　AD7755產(chǎn)生的輸出頻率與兩個(gè)輸入電壓信號(hào)乘積的時(shí)間平均值成正比。加在AD7755上的輸入電壓值為V1和V2。圖1示出的電表工作條件，線電壓為220V，最大電流(Imax)為40A。然而，只要正確標(biāo)定通道1和通道2的輸入信號(hào)，就能設(shè)計(jì)出工作于任何線電壓和最大電流的電能表。AD7755有4種頻率選擇方式適合這類電表(即直接驅(qū)動(dòng)計(jì)度器)，Imax高達(dá)120A。當(dāng)這類表的Ib選為5A時(shí)，規(guī)定精度的電流范圍為2%Ib～I(xiàn)max，或動(dòng)態(tài)范圍為400(即100mA～40A)。機(jī)電式計(jì)度器的電表常數(shù)為100imp/kWh，即要記錄1 kWh的電能要求AD7755發(fā)出100個(gè)脈沖。IEC1036標(biāo)準(zhǔn)4.2.11節(jié)規(guī)定機(jī)電式記錄器從最低位起按十進(jìn)制計(jì)數(shù)，每位都是逢十進(jìn)一。因此計(jì)度器采用5位整數(shù)1位小數(shù)顯示方式，即最高位的1對(duì)應(yīng)10，000，較低位依次對(duì)應(yīng)1，000，100，10，1，最低位對(duì)應(yīng)1/10。供校驗(yàn)和測(cè)試用的儀表常數(shù)選作3200imp/kWh。
2 AD7755基準(zhǔn)源電路
　　圖1中還示出了一個(gè)供選擇的基準(zhǔn)源電路。AD7755片內(nèi)基準(zhǔn)源電路的溫度系數(shù)典型值為30ppm/℃，但A級(jí)AD7755的溫度系數(shù)沒有這么低，而高達(dá)80ppm/℃。在－20℃或＋60℃情況下，由于80ppm/℃的溫度系數(shù)使AD7755相對(duì)25℃標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的誤差要高達(dá)＋0.65%。
3 分流器的選擇
　　為了使通道V1(電流通道)的動(dòng)態(tài)范圍最大，分流器選為350μΩ。在為電表選擇分流器時(shí)，有幾個(gè)重要問題應(yīng)該考慮。第一，要使分流器的功耗最低。由于本設(shè)計(jì)方案的最大額定電流為40A，所以分流器的最大功耗為(40A)2×350μΩ＝560mW。IEC1036標(biāo)準(zhǔn)要求最大功耗為2W(包括電源功耗)。第二，如果功耗很高會(huì)給芯片散熱帶來困難。雖然分流器是采用低溫度系數(shù)的錳銅合金材料制成的，但是在高溫情況下對(duì)重負(fù)載仍會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差。第三，應(yīng)該考慮電表對(duì)相電壓短路造成損害具有的防護(hù)能力。由于分流器的阻值非常小，所以外部短路對(duì)分流器的影響也非常小。因此分流器總是應(yīng)該做得盡量小，但這樣必然抵消通道V1(0～20mVrms，G＝16)的信號(hào)范圍。如果分流器做得太小，在輕負(fù)載情況下又不能符合IEC1036標(biāo)準(zhǔn)精度的要求。因此本設(shè)計(jì)權(quán)衡考慮分流器選為350μΩ。
4 設(shè)計(jì)值的計(jì)算
　　設(shè)計(jì)參數(shù)：
　　線電壓＝220V(標(biāo)稱值)
　　Imax＝40A、Ib＝5A
　　計(jì)度器＝100imp/kWh
　　儀表常數(shù)＝3200imp/kWh
　　分流器阻值＝350μΩ
　　100imp/h＝100/3600s＝0.027777Hz
　　在Ib＝5A條件下校表
　　Ib條件下功耗＝220V×5A＝1.1kW
　　Ib條件下F1(和F2)頻率＝1.1×0.027777Hz＝0.0305555Hz
　　Ib條件下分流器(V1)兩端電壓＝5A×350μΩ＝1.75mV
　　根據(jù)AD7755活頁(yè)資料的公式(1)計(jì)算為：
　　0.030555Hz＝(8.06×1.75mV×V2×16×3.4Hz)/2.52
　　V2＝248.9mVrms
　　因此為了校驗(yàn)這塊電表需要將線電壓衰減到248.9mV。
5 校驗(yàn)電表
　　從前一節(jié)可知通過將線電壓衰減到248.9mV的方法能對(duì)這塊電表做簡(jiǎn)單校驗(yàn)。線電壓衰減是通過簡(jiǎn)單電阻分壓器實(shí)現(xiàn)的。為了準(zhǔn)許分流器的容差和片內(nèi)基準(zhǔn)源±8%的誤差(見AD7755活頁(yè)資料)，該衰減網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該允許至少有±30%的校驗(yàn)范圍。此外，這種衰減網(wǎng)絡(luò)布局的特點(diǎn)是，既使當(dāng)衰減程度改變時(shí)，通道1與通道2之間仍能保持相位匹配。
　　兩個(gè)通道間恰當(dāng)相位匹配AD7755在40Hz～1kHz頻率范圍內(nèi)，內(nèi)部相位匹配。在電能計(jì)量應(yīng)用中恰當(dāng)?shù)南辔黄ヅ涫欠浅Ｖ匾?，因?yàn)樵诘凸β室驍?shù)情況下兩個(gè)通道之間的任何相位失配都會(huì)帶來明顯的測(cè)量誤差。
　　如果相對(duì)AD7755外部產(chǎn)生一個(gè)相位誤差(e)，例如抗混疊濾波器，由此引起的測(cè)量誤差按下式計(jì)算：
　　[cos(δ°)－cos(δ°＋e)]/cos(δ°)×100%
　　其中δ為電壓和電流之間的相角，e為外部相位誤差。對(duì)于0 2°的外部相位誤差，例如當(dāng)PF＝0.5(60°)時(shí)，計(jì)算測(cè)量誤差為0.6%。這個(gè)例子表明，在低功率因數(shù)情況下即使很小的相位誤差都會(huì)造成一個(gè)很大的測(cè)量誤差。
6 抗混疊濾波器
　　如前所述，有一種外部相位誤差源可能來自通道1和通道2的抗混疊濾波器?？够殳B濾波是一種低通濾波器，它放置在ADC的模擬輸入之前。為了防止由于采樣可能引起的失真(稱作混疊)必須采用抗混疊濾波器。使用一種非常簡(jiǎn)單的低通濾波器(LPF)衰減掉那些無(wú)用的高頻(900kHz附近)分量，從而可防止有用頻帶內(nèi)的失真。最簡(jiǎn)單的LPF是RC濾波器，它是一種單極點(diǎn)濾波器，以－20dB/十倍頻程衰減。
　　正如上一節(jié)所述，如果通道1和通道2的相頻響應(yīng)不匹配，會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差。由于LPF的元件容差大很容易產(chǎn)生相位失配。LPF(抗混疊濾波器)的－3dB頻率越低，在基頻或電源頻率附近引起的相位誤差越明顯。本設(shè)計(jì)為了減小由于相位失配造成的測(cè)量誤差，抗混疊濾波器選取容差為1%的電阻器和容差為10%的電容器。這樣抗混疊濾波器的轉(zhuǎn)折頻率擴(kuò)展到10kHz－15Hz。但是轉(zhuǎn)折頻率不能太高，因?yàn)檫@樣要允許足夠高的混疊頻率成份，從而在噪聲環(huán)境下對(duì)精度有影響。
　　在低頻情況下，對(duì)分流器寄生電感的補(bǔ)償通常將分流器看作純阻性元件，而不是電抗元件。但是當(dāng)實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用分流器時(shí)在某些情況下，即使很小的寄生電感也會(huì)產(chǎn)生不合需要的影響。當(dāng)分流器的阻值非常低時(shí)(200μΩ數(shù)量級(jí))，這個(gè)問題非常明顯。圖2示出了AD7755設(shè)計(jì)方案中采用的分流器的一種等效電路。分流器有三條接線。其中兩條接線提供電流檢測(cè)輸入(V1P和V1N)，第三條按線接系統(tǒng)地參考點(diǎn)。
　　通過對(duì)AD7755設(shè)計(jì)方案采用的分流器等效電路分析結(jié)果，指出了分流器的寄生電感對(duì)抗混疊網(wǎng)絡(luò)的影響，主要因素是由于這種抗混疊網(wǎng)絡(luò)增加一個(gè)零點(diǎn)所致。取消該網(wǎng)絡(luò)附加零點(diǎn)(Zero)作用的一種方法是在同一位置(或靠近)增加一個(gè)附加極點(diǎn)(Pole)。

7 電源設(shè)計(jì)
　　本設(shè)計(jì)采用由電容器分壓網(wǎng)絡(luò)(即C17和C18)構(gòu)成的簡(jiǎn)單低成本電源。大部分線電壓都降落在電容器C17兩端，它是一種560nF耐壓250V的金屬聚酯薄膜電容器。C17的阻抗決定電源的VA額定有效值。但C17的尺寸必須符合IEC1039標(biāo)準(zhǔn)的功耗指標(biāo)的要求。包括電源在內(nèi)的全部電壓電路的總功耗應(yīng)符合IEC1039(1996-9)標(biāo)準(zhǔn)4.4.1.1節(jié)的規(guī)定。在標(biāo)稱條件下，每相電壓的總功耗是2W和10VA。本設(shè)計(jì)電源的標(biāo)稱VA額定值是7VA?？偣拇蠹s為0.98W。在40A負(fù)載條件下包括分流器的功耗在內(nèi)，電表的總功耗為1.54W。
8 抗電磁干擾設(shè)計(jì)
　　IEC1036標(biāo)準(zhǔn)的4.5節(jié)指出“電表設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循的原則是防止傳導(dǎo)、輻射和靜電放電三種形式的電磁干擾不損壞或?qū)嵸|(zhì)性影響電表”。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下三種干擾源：
　　(1)靜電放電(ESD)
　　(2)高頻電磁場(chǎng)
　　(3)快速瞬變脈沖群(EFT)
9 靜電放電(ESD)
　　雖然許多對(duì)ESD敏感的電子元器件芯片內(nèi)部都含有一些保護(hù)措施，但是對(duì)于下面介紹的那種劇烈放電則沒有保護(hù)作用。另一方面，ESD作用是累積的，即一個(gè)器件可能經(jīng)受住一次ESD作用，但不能保證在今后某一段時(shí)期能經(jīng)受住多次ESD作用。最好的方法是，在ESD與敏感電子器件接觸之前就消除或衰減ESD的作用。為了保護(hù)器件不必接入過多的外部元件，而應(yīng)盡量讓電路中已經(jīng)接入的元件起到雙重作用。例如在與外部有接觸的那些點(diǎn)(如與分流器連接的點(diǎn))必須防護(hù)ESD的作用。
　　RC濾波器對(duì)防止ESD損壞CMOS器件也有足夠的保護(hù)作用，但是必須注意使用合適類型的元器件，例如電阻器不應(yīng)選用線繞電阻器，因?yàn)樵陔娮鑳啥藭?huì)傳導(dǎo)釋放電荷。為了阻止電荷放電在電阻器兩端傳導(dǎo)，電阻器的體積應(yīng)該大。在本設(shè)計(jì)中的抗混疊濾波器選用1/2W SMD 2010電阻器，還用兩個(gè)鐵氧體與分流器串聯(lián)。鐵氧體的阻塞作用對(duì)于減緩ESD電流脈沖快速上升時(shí)間特別有效。這種高頻瞬時(shí)能量被鐵氧體吸收后不再傳送或反射給系統(tǒng)中的其它器件。另一個(gè)很常見的低成本方法是在PCB板的元件面制作火花隙(spark gap)來捕獲ESD作用。但是，電表在一個(gè)開放環(huán)境下正常工作時(shí)要遭受多次ESD作用，所以在類似分流器的敏感連接點(diǎn)處不推薦采用這種方法。因?yàn)槎啻畏烹姇?huì)使火花隙兩端的碳增多，這樣造成的短路或產(chǎn)生的電阻到時(shí)會(huì)影響電表精度。
　　為防止PSU中大幅度或快速上升時(shí)間的放電，在考慮選用金屬氧化物壓敏電阻器(MOV)之后，再采用火花隙。
10 高頻電磁場(chǎng)
　　集成電路(IC)對(duì)射頻(RF)的敏感度比較明顯趨向在20～200MHz范圍內(nèi)。高于這個(gè)頻段，寄生電容對(duì)敏感器件沒有影響。一般對(duì)IC來說，20～200MHz頻段的RF實(shí)際上范圍已經(jīng)很寬了，也就是說沒有比這個(gè)頻段更易出麻煩的。但是由于PCB的諧振作用，對(duì)某些頻率可能更加敏感。這些諧振頻率在某段頻率范圍內(nèi)能產(chǎn)生插入增益，進(jìn)而會(huì)對(duì)敏感器件造成干擾。到目前為止，最大量的RF信號(hào)都是經(jīng)過電纜進(jìn)入系統(tǒng)的，所以對(duì)這些連接點(diǎn)必須采取防護(hù)措施。系統(tǒng)抗高頻干擾的主要措施是：
　　(1)縮小電路帶寬
　　(2)隔離敏感器件
11 縮小電路帶寬
　　本設(shè)計(jì)需要的模擬帶寬僅2kHz，這對(duì)盡量減小RF影響是十分有利的。為了減少RF輻射進(jìn)入系統(tǒng)，在電纜進(jìn)入點(diǎn)可接一個(gè)低通濾波器。在進(jìn)入AD7755之前，分流器的輸出端已經(jīng)濾波。這就是前邊已經(jīng)介紹的抗混疊作用。選擇好元件并且增加一些必要的元件(例如鐵氧體)能使這種抗混疊濾波器對(duì)RF的濾波效果加倍。
　　當(dāng)頻率很高時(shí)(例如＞1MHz)，必須考慮每個(gè)集總元器件的寄生電抗。
　　一般使用體積小、引腳短的元器件(例如SMD器件)使其寄生電抗保持最小。因?yàn)椴恢来_切的源阻抗(它取決于電源的源阻抗)，所以一些通用的預(yù)防措施是減小潛在的諧振作用。由于源阻抗和濾波器網(wǎng)絡(luò)相互作用產(chǎn)生的諧振能產(chǎn)生插入增益，從而在某個(gè)頻點(diǎn)(諧振頻率)會(huì)增加RF輻射對(duì)系統(tǒng)的作用。類似電容器(例如X7R型)這種具有介質(zhì)損耗的元件(即大電阻元件)和鐵氧體都是這種應(yīng)用的理想元件。這種元件將RF輻射以熱能形式被損耗而不是將其反射或傳輸給系統(tǒng)的其它元器件。鐵氧體Z3和Z4在這方面具有優(yōu)良的性能。
　　如前所述，由于鐵氧體阻抗隨頻率增加而增加，所以它僅對(duì)高頻RF有衰減作用。
12 隔離敏感器件
　　隔離分流器只能使AD7755(經(jīng)過抗混疊濾波器)直接與“外部”連接。另一方面，為了提供電源和電壓通道(V2)，該系統(tǒng)還要接到相線和中性線。鐵氧體(Z1)和電源濾波電容器(C16)應(yīng)該對(duì)電源的RF輻射有明顯的衰減作用。產(chǎn)生RF另外一個(gè)可能的途經(jīng)是系統(tǒng)的信號(hào)地。為了使AD7755周圍的信號(hào)地與外部接地參考點(diǎn)(K4)隔離，通常采用分隔(moating)法，圖3示出了這種方法的原理圖。
　　對(duì)系統(tǒng)中的敏感區(qū)域要防止RF輻射在I/O連接處進(jìn)入系統(tǒng)。由于圖中所示的I/O連接的周圍區(qū)域沒有任何接地面和電源面，從而限制了RF輻射的傳導(dǎo)路徑，所以稱作“分隔”法。很顯然，電源、地和信號(hào)必須跨過這個(gè)分隔區(qū)才能接通，因此圖3示出了使用一個(gè)鐵氧體可以安全地實(shí)現(xiàn)這種連接。
13 快速瞬態(tài)脈沖群(EFT)
　　EFT測(cè)試用來測(cè)定系統(tǒng)抵抗傳導(dǎo)瞬態(tài)脈沖群的能力。按照IEC1000-4-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件進(jìn)行測(cè)試。對(duì)EFT脈沖進(jìn)行防護(hù)非常困難，因?yàn)檫@種干擾經(jīng)過外部連接進(jìn)入系統(tǒng)，例如電源線。使該脈沖特性衰減的最主要因素可能不是其幅度(高達(dá)4kV)，而是由快速上升時(shí)間決定的高頻成份?？焖偕仙龝r(shí)間意味著該脈沖的高頻成份能通過寄生電容等路徑耦合到系統(tǒng)其它部分。PCB的印制線(traces)和信號(hào)地的感應(yīng)作用能產(chǎn)生一個(gè)很大的差動(dòng)信號(hào)。
　　類似ESD傳導(dǎo)EFT帶來的另一個(gè)問題是，這種輻射作用通常對(duì)電子元器件具有累積作用。一個(gè)EFT脈沖的能量高達(dá)4mJ，它能將40A的電流傳輸給50Ω負(fù)載。因此，由于感性負(fù)載的切換等原因表現(xiàn)出連續(xù)的EFT作用，對(duì)元器件的長(zhǎng)期可靠性可能帶來隱患。最好的方法是對(duì)EFT敏感的系統(tǒng)中的那些元器件采用防護(hù)措施。

　　上一節(jié)介紹的對(duì)高頻電磁場(chǎng)的防護(hù)方法也完全適用于EFT。電子線路應(yīng)盡可能地與通過PCB板的干擾源和濾波信號(hào)與電源連接隔離(即“分隔”)。另外在干線兩端接一個(gè)10nF電容器(C16)以便為差動(dòng)的EFT脈沖提供一個(gè)低阻抗分流器。由器件引腳和PCB印制線產(chǎn)生的寄生電感表明金屬氧化物壓敏電阻器(MOV)對(duì)衰減差動(dòng)EFT脈沖不是很有效的。MOV對(duì)衰減大能量、持續(xù)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)的干擾(例如閃電)非常有效。
14 S20K275型MOV
　　本設(shè)計(jì)使用的MOV是Simens公司的S20K275型MOV。MOV基本上是一種壓敏電阻器，其電阻隨電壓增加而減小。MOV通常與被保護(hù)的器件或電路相并聯(lián)。在過壓期間形成一個(gè)低阻的分流器，因此可以防止被保護(hù)電路兩端的電壓進(jìn)一步上升。這種過壓保護(hù)主要是靠降低過壓源的源阻抗，例如干線網(wǎng)絡(luò)的源阻抗。
15 EMC測(cè)試結(jié)果
　　在一個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)室對(duì)本設(shè)計(jì)的電磁兼容性(EMC)做了測(cè)試。全部測(cè)試都是由美國(guó)Integrity Design & Test Services Inc.(Littleton、MA 01460、USA)完成的。發(fā)射性測(cè)試報(bào)告的副本可從ADI公司的如下網(wǎng)址得到：
　　http:∥www.analog.com/techsupt/application?鄄notes/ad7755/64567-e1.pdf
　　抗干擾性測(cè)試報(bào)告的副本可從ADI公司的如下網(wǎng)址得到：
　　http:∥www.analog.com/techsupt/application?鄄notes/ad7755/64567-c1.pdf
　　由于篇幅所限，有關(guān)AD7755設(shè)計(jì)方案的詳細(xì)討論，包括四層電路板的布線圖，元器件清單都不能詳細(xì)介紹。感興趣的讀者請(qǐng)與北京市英賽爾器件集團(tuán)及其分公司聯(lián)系，或直接訪問英賽爾器件集團(tuán)的網(wǎng)址：incel.cn、com