直流電能計量的應(yīng)用和解決方案

直流電能計量應(yīng)用的發(fā)展與技術(shù)優(yōu)勢

在基于寬帶隙半導(dǎo)體（例如GaN和SiC器件）的高效經(jīng)濟型功率轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的推動下，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，精確的直流電能計量變得越來越重要，特別是涉及到電能計費的地方。本文將討論直流計量在電動汽車充電站、數(shù)據(jù)中心、微電網(wǎng)等方面的發(fā)展機會，以及由ADI推出的相關(guān)解決方案。

直流電能計量可提升

電能計費的準確度

當前世界各國政府都在制定行動計劃，以應(yīng)對長期、復(fù)雜的減少CO2排放的挑戰(zhàn)。CO2排放已證實是造成氣候變化嚴重后果的原因，同時對新型高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和改進電池化學(xué)組成的需求也在迅速增長。

如今，對更高效、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。直流電能計量應(yīng)用相當多樣，像是電動汽車直流充電站便將成為重要發(fā)展方向。

近年來，人們在提高電池容量和使用壽命方面做了大量工作，但同時必須提供廣泛的電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)，這樣才能無需擔(dān)心行駛里程或充電時間問題，從容實現(xiàn)長途旅行。許多能源供應(yīng)商和私營企業(yè)都在部署高達150 kW的快速充電器，并且每個充電樁功率高達500 kW的超快充電器也引發(fā)了公眾的興趣。考慮到局部充電峰值功率高達兆瓦的超快充電站和相關(guān)的快速充電能源溢價率，電動汽車充電將成為一個巨大的電能交換市場，隨之需要進行準確的電能計費。

直流配電的另一個重要應(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)電機和儲能共同作用形成一個可靠的能源分配系統(tǒng)。

樓宇建筑中也會使用微電網(wǎng)，隨著可再生能源發(fā)電機的廣泛使用，建筑物甚至可以自行供電，屋頂太陽能電池板和小型風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的電能足夠使用，獨立運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)中心運營商正在積極考慮使用不同的技術(shù)和解決方案來提高設(shè)施的電力效率，因為電力是其較大的成本之一。

數(shù)據(jù)中心運營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380 VDC左右，由于許多運營商開始采用按用電量向托管客戶收費的測量方法，因此精確的直流電能計量越來越倍受關(guān)注。

電能計量需要具有故障

和竊電檢測能力

20世紀初，傳統(tǒng)交流電表完全是機電式。使用電壓和電流線圈的組合在旋轉(zhuǎn)鋁盤中感應(yīng)渦流。鋁盤上產(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，在鋁盤上添加一個破碎磁鐵，使轉(zhuǎn)速與負載消耗的實際功率成正比。此時，只需計算一段時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)即可計量耗電量。

現(xiàn)代交流電表則更復(fù)雜，也更準確，并可防止竊電?，F(xiàn)在，先進的智能電表甚至可以監(jiān)測其絕對精度，并且安裝在現(xiàn)場時可全天候檢測是否存在竊電跡象。無論是現(xiàn)代電表、傳統(tǒng)電表、交流電表還是直流電表，都是根據(jù)其每千瓦時脈沖常數(shù)和百分比等級精度進行分類的。

要測量負載所消耗的功率（P = V × I），至少需要一個電流傳感器和一個電壓傳感器。當?shù)碗妷簜?cè)為地電位時，流過電表的電流通常在高電壓側(cè)測量，以便盡量減少未計量漏電的風(fēng)險，但電流也可在低電壓側(cè)測量，如果設(shè)計架構(gòu)需要，也可以在兩側(cè)測量。通常使用測量和比較負載兩側(cè)電流的技術(shù)，使電表具有故障和竊電檢測能力。但是，在測量兩側(cè)的電流時，至少需要隔離一個電流傳感器，以便處理導(dǎo)體間的高電位。

電壓通常用電阻分壓器來測量，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。由于輸入信號的幅度很大，使用標準組件可輕松實現(xiàn)精確的電壓測量。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。每個輸入通道都有一個增益為1、2、4和8的可編程增益級，可將低幅度傳感器輸出映射到滿量程ADC輸入范圍，從而使信號鏈的動態(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，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、偽差分或單端信號以匹配不同的傳感器輸出配置。

每個通道包含一個ADC調(diào)制器和一個sinc3低延遲數(shù)字濾波器。采用SRC來對AD7779的輸出數(shù)據(jù)率（ODR）進行精細分辨率控制。這種控制可用于線頻率變化為0.01 Hz時，ODR分辨率需要維持相干性的應(yīng)用。SRC可通過串行端口接口（SPI）編程。AD7779實現(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接口用以負責(zé)AD7779配置寄存器的讀寫，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12位SAR ADC，該ADC可以用于AD7779診斷，這樣就無需為系統(tǒng)測量功能專門騰出一個Σ-Δ型ADC通道。通過外部多路復(fù)用器（可利用3個通用輸入/輸出GPIO引腳加以控制）和信號調(diào)理，SAR ADC可在需要功能安全的應(yīng)用中用于驗證Σ-Δ型ADC測量結(jié)果。此外，AD7779 SAR ADC內(nèi)置一個多路復(fù)用器，可用來檢測內(nèi)部節(jié)點。

AD7779包含一個2.5 V基準電壓源和參考緩沖器?；鶞孰妷涸吹臏囟认禂?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態(tài)范圍，功耗為每通道10.75 mW；而低功耗模式在較低的動態(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℃，不過器件工作溫度最高可達+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。這些零漂移放大器采用ADI公司的電路拓撲結(jié)構(gòu)，將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體，且無需外部電容。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，對位置和壓力傳感器、醫(yī)療設(shè)備以及應(yīng)變計放大器應(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，并使信噪比達到較大。

AD8629的額定溫度范圍為?40℃至+125℃擴展工業(yè)溫度范圍。AD8629提供標準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、醫(yī)療儀器等。

ADA4528的額定溫度范圍為?40℃至+125℃擴展工業(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，具有5 nV/℃輸入?yún)⒖际д{(diào)漂移量。通過直接與AD7779 ADC輸入端相連的1000:1比率的電阻電位分壓器，可以精確測量高直流電壓。

結(jié)語

直流電能計量具有比交流電能計量更高的精度，在市場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，直流電能計量將更具計費公平性，并減少交直流之間需要進行的轉(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，將會成為重要的發(fā)展趨勢。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量提供完整信號鏈，以滿足嚴格的標準要求，本文所介紹的相關(guān)產(chǎn)品，將成為直流電能計量應(yīng)用的最佳選擇之一。