直流電能計(jì)量應(yīng)用的發(fā)展與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在基于寬帶隙半導(dǎo)體（例如GaN和SiC器件）的高效經(jīng)濟(jì)型功率轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，許多應(yīng)用現(xiàn)在都看到了轉(zhuǎn)換為直流電能的好處。因此，精確的直流電能計(jì)量變得越來(lái)越重要，特別是涉及到電能計(jì)費(fèi)的地方。本文將討論直流計(jì)量在電動(dòng)汽車充電站、數(shù)據(jù)中心、微電網(wǎng)等方面的發(fā)展機(jī)會(huì)，以及由ADI推出的相關(guān)解決方案。

直流電能計(jì)量可提升

電能計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確度

當(dāng)前世界各國(guó)政府都在制定行動(dòng)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期、復(fù)雜的減少CO2排放的挑戰(zhàn)。CO2排放已證實(shí)是造成氣候變化嚴(yán)重后果的原因，同時(shí)對(duì)新型高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和改進(jìn)電池化學(xué)組成的需求也在迅速增長(zhǎng)。

如今，對(duì)更高效、更環(huán)保的能源的需求與日俱增。由于更容易使用，早期的電網(wǎng)開(kāi)發(fā)人員使用交流電（AC）向世界供電，但在許多地區(qū)，直流電（DC）可顯著提高效率。直流電能計(jì)量應(yīng)用相當(dāng)多樣，像是電動(dòng)汽車直流充電站便將成為重要發(fā)展方向。

近年來(lái)，人們?cè)谔岣唠姵厝萘亢褪褂脡勖矫孀隽舜罅抗ぷ鳎瑫r(shí)必須提供廣泛的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)，這樣才能無(wú)需擔(dān)心行駛里程或充電時(shí)間問(wèn)題，從容實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途旅行。許多能源供應(yīng)商和私營(yíng)企業(yè)都在部署高達(dá)150 kW的快速充電器，并且每個(gè)充電樁功率高達(dá)500 kW的超快充電器也引發(fā)了公眾的興趣?？紤]到局部充電峰值功率高達(dá)兆瓦的超快充電站和相關(guān)的快速充電能源溢價(jià)率，電動(dòng)汽車充電將成為一個(gè)巨大的電能交換市場(chǎng)，隨之需要進(jìn)行準(zhǔn)確的電能計(jì)費(fèi)。

直流配電的另一個(gè)重要應(yīng)用便是微電網(wǎng)，從本質(zhì)上講，微電網(wǎng)是更小版本的公用電力系統(tǒng)。因此，需要安全、可靠、高效的電源。醫(yī)院、軍事基地都可能使用微電網(wǎng)，微電網(wǎng)甚至?xí)鳛楣孟到y(tǒng)的一部分，其中可再生能源發(fā)電、燃料發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能共同作用形成一個(gè)可靠的能源分配系統(tǒng)。

樓宇建筑中也會(huì)使用微電網(wǎng)，隨著可再生能源發(fā)電機(jī)的廣泛使用，建筑物甚至可以自行供電，屋頂太陽(yáng)能電池板和小型風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能足夠使用，獨(dú)立運(yùn)行但仍提供公共電網(wǎng)支持。

直流供電的數(shù)據(jù)中心也是重要的應(yīng)用之一，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商正在積極考慮使用不同的技術(shù)和解決方案來(lái)提高設(shè)施的電力效率，因?yàn)殡娏κ瞧漭^大的成本之一。

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商看到了直流配電的相關(guān)好處，不僅可減少交流和直流之間需要進(jìn)行的最少轉(zhuǎn)換次數(shù)，而且與可再生能源的整合也更輕松、更高效。若能節(jié)能5%至25%，將可提高傳輸和轉(zhuǎn)換效率，并減少熱量產(chǎn)生，并增加雙倍可靠性和可用性，且占地面積減少33%。配電總線電壓范圍高達(dá)380 VDC左右，由于許多運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始采用按用電量向托管客戶收費(fèi)的測(cè)量方法，因此精確的直流電能計(jì)量越來(lái)越倍受關(guān)注。

電能計(jì)量需要具有故障

和竊電檢測(cè)能力

20世紀(jì)初，傳統(tǒng)交流電表完全是機(jī)電式。使用電壓和電流線圈的組合在旋轉(zhuǎn)鋁盤(pán)中感應(yīng)渦流。鋁盤(pán)上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與電壓和電流線圈產(chǎn)生的磁通量的乘積成正比。最后，在鋁盤(pán)上添加一個(gè)破碎磁鐵，使轉(zhuǎn)速與負(fù)載消耗的實(shí)際功率成正比。此時(shí)，只需計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)即可計(jì)量耗電量。

現(xiàn)代交流電表則更復(fù)雜，也更準(zhǔn)確，并可防止竊電。現(xiàn)在，先進(jìn)的智能電表甚至可以監(jiān)測(cè)其絕對(duì)精度，并且安裝在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)可全天候檢測(cè)是否存在竊電跡象。無(wú)論是現(xiàn)代電表、傳統(tǒng)電表、交流電表還是直流電表，都是根據(jù)其每千瓦時(shí)脈沖常數(shù)和百分比等級(jí)精度進(jìn)行分類的。

要測(cè)量負(fù)載所消耗的功率（P = V × I），至少需要一個(gè)電流傳感器和一個(gè)電壓傳感器。當(dāng)?shù)碗妷簜?cè)為地電位時(shí)，流過(guò)電表的電流通常在高電壓側(cè)測(cè)量，以便盡量減少未計(jì)量漏電的風(fēng)險(xiǎn)，但電流也可在低電壓側(cè)測(cè)量，如果設(shè)計(jì)架構(gòu)需要，也可以在兩側(cè)測(cè)量。通常使用測(cè)量和比較負(fù)載兩側(cè)電流的技術(shù)，使電表具有故障和竊電檢測(cè)能力。但是，在測(cè)量?jī)蓚?cè)的電流時(shí)，至少需要隔離一個(gè)電流傳感器，以便處理導(dǎo)體間的高電位。

電壓通常用電阻分壓器來(lái)測(cè)量，其中使用階梯電阻將電位以一定比例降低到與系統(tǒng)ADC輸入兼容的電平。由于輸入信號(hào)的幅度很大，使用標(biāo)準(zhǔn)組件可輕松實(shí)現(xiàn)精確的電壓測(cè)量。但是，必須注意所選組件的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)，以確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有所需的精度。

提供超低輸入電流的高采樣率 ADC

在直流電能計(jì)量應(yīng)用中，ADI的AD7779、AD8629與ADA4528-1都在其中扮演重要的角色。其中，AD7779是一款8通道同步采樣ADC，片內(nèi)集成8個(gè)完整的Σ-Δ ADC。AD7779提供超低輸入電流，允許直接連接傳感器。每個(gè)輸入通道都有一個(gè)增益為1、2、4和8的可編程增益級(jí)，可將低幅度傳感器輸出映射到滿量程ADC輸入范圍，從而使信號(hào)鏈的動(dòng)態(tài)范圍最大。AD7779接受1 V至3.6 V的VREF。模擬輸入接受單極性（0 V至VREF/GAIN）或真雙極性（±VREF/GAIN/2 V）模擬輸入信號(hào)，模擬電源電壓分別為3.3 V或±1.65 V。模擬輸入可配置為接受真差分、偽差分或單端信號(hào)以匹配不同的傳感器輸出配置。

每個(gè)通道包含一個(gè)ADC調(diào)制器和一個(gè)sinc3低延遲數(shù)字濾波器。采用SRC來(lái)對(duì)AD7779的輸出數(shù)據(jù)率（ODR）進(jìn)行精細(xì)分辨率控制。這種控制可用于線頻率變化為0.01 Hz時(shí)，ODR分辨率需要維持相干性的應(yīng)用。SRC可通過(guò)串行端口接口（SPI）編程。AD7779實(shí)現(xiàn)了兩種不同接口：數(shù)據(jù)輸出接口和SPI控制接口。ADC數(shù)據(jù)輸出接口專門(mén)用于將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果從AD7779發(fā)送至處理器。SPI接口用以負(fù)責(zé)AD7779配置寄存器的讀寫(xiě)，并用于控制和讀取SAR ADC的數(shù)據(jù)，SPI接口還可配置為輸出Σ-Δ轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

AD7779包括一個(gè)12位SAR ADC，該ADC可以用于AD7779診斷，這樣就無(wú)需為系統(tǒng)測(cè)量功能專門(mén)騰出一個(gè)Σ-Δ型ADC通道。通過(guò)外部多路復(fù)用器（可利用3個(gè)通用輸入/輸出GPIO引腳加以控制）和信號(hào)調(diào)理，SAR ADC可在需要功能安全的應(yīng)用中用于驗(yàn)證Σ-Δ型ADC測(cè)量結(jié)果。此外，AD7779 SAR ADC內(nèi)置一個(gè)多路復(fù)用器，可用來(lái)檢測(cè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。

AD7779包含一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)電壓源和參考緩沖器?；鶞?zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)為10 ppm/℃（典型值）。AD7779提供兩種工作模式：高分辨率模式和低功耗模式。高分辨率模式提供較高的動(dòng)態(tài)范圍，功耗為每通道10.75 mW；而低功耗模式在較低的動(dòng)態(tài)范圍規(guī)格下功耗僅為每通道3.37 mW。AD7779的額定工作溫度范圍為-40℃至+105℃，不過(guò)器件工作溫度最高可達(dá)+125℃。

具有超低噪聲、漂移等

電流特性的放大器

ADI的AD8629放大器則具有超低失調(diào)、漂移和偏置電流特性，為寬帶寬、自穩(wěn)零放大器，具有軌到軌輸入和輸出擺幅以及低噪聲特性，采用2.7 V至5 V單電源供電（或±1.35 V至±2.5 V雙電源供電）。

AD8629可提供以前只有昂貴的自穩(wěn)零或斬波穩(wěn)定放大器才具有的特性優(yōu)勢(shì)。這些零漂移放大器采用ADI公司的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體，且無(wú)需外部電容。此外，AD8629還大大降低了大多數(shù)斬波穩(wěn)定放大器所具有的數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲。

AD8629的失調(diào)電壓僅為1 μV，失調(diào)電壓漂移小于0.005 μV/℃，噪聲僅為0.5 μV峰峰值（0 Hz至10 Hz），因而適合不容許存在誤差源的應(yīng)用。這些器件在工作溫度范圍內(nèi)的漂移接近零，對(duì)位置和壓力傳感器、醫(yī)療設(shè)備以及應(yīng)變計(jì)放大器應(yīng)用極為有利。許多系統(tǒng)都可以利用AD8629提供的軌到軌輸入和輸出擺幅能力，以降低輸入偏置復(fù)雜度，并使信噪比達(dá)到較大。

AD8629的額定溫度范圍為?40℃至+125℃擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。AD8629提供標(biāo)準(zhǔn)8引腳窄體SOIC和MSOP兩種塑料封裝。

ADI的另一款A(yù)DA4528為超低噪聲、零漂移運(yùn)算放大器，具有軌到軌輸入和輸出擺幅。失調(diào)電壓為2.5 μV，失調(diào)電壓漂移為0.015 μV/℃，噪聲為97 μV p-p（0.1 Hz至10 Hz，AV = +100），因而ADA4528非常適合不容許存在誤差源的應(yīng)用。

ADA4528具有2.2 V至5.5 V的寬工作電源電壓范圍、高增益、出色的CMRR和PSRR特性，是要求低電平信號(hào)精密放大應(yīng)用的理想之選，如位置和壓力傳感器、應(yīng)變計(jì)、醫(yī)療儀器等。

ADA4528的額定溫度范圍為?40℃至+125℃擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍，其中的ADA4528-1提供8引腳MSOP和8引腳LFCSP兩種封裝，ADA4528-2采用8引腳MSOP封裝。

ADA4528的最大失調(diào)電壓為2.5 μV，最大失調(diào)電壓漂移為0.015 μV/℃，非常適合為小分流信號(hào)提供超低漂移、100 V/V放大。因此，同步采樣、24位ADC AD7779可直接連接到放大級(jí)，具有5 nV/℃輸入?yún)⒖际д{(diào)漂移量。通過(guò)直接與AD7779 ADC輸入端相連的1000:1比率的電阻電位分壓器，可以精確測(cè)量高直流電壓。

結(jié)語(yǔ)

直流電能計(jì)量具有比交流電能計(jì)量更高的精度，在市場(chǎng)需求快速增加的充電站、微電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用中，直流電能計(jì)量將更具計(jì)費(fèi)公平性，并減少交直流之間需要進(jìn)行的轉(zhuǎn)換次數(shù)與能源損耗，與可再生能源的整合也更輕松、更高效，將會(huì)成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。ADI公司是精密傳感技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，為精密電流和電壓測(cè)量提供完整信號(hào)鏈，以滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，本文所介紹的相關(guān)產(chǎn)品，將成為直流電能計(jì)量應(yīng)用的最佳選擇之一。