采用TI 能耗测量IC简化辅助计量

引言
 

诸如智能插头和电器电度表等辅助计量 (sub-metering) 应用使消费者能够了解和控制其电能使用状况。其他的辅助计量应用(如服务器功率表)则可帮助 IT 部门优化服务器群的功耗。在设计辅助计量表时，像传感器、模拟前端 (AFE) 组件和微控制器 (MCU) 的选择之类的考虑因素对于决定总体系统成本与复杂性有着举足轻重的影响。作为一款有效的实施方案，其应易于设计并具有低量产成本，同时满足应用的主要需求 - 可靠地测量和报告电能消耗信息。本文将讨论 MSP430AFE2xx IC1 在能耗测量应用中的特性与优势。虽然 MSP430AFE2xx 完全适合公用事业级电力表中的能耗测量，不过本文将专门讨论其在辅助计量中的应用。在本文中，辅助计量指的是非公用事业型的电能计量应用，例如：智能插头、电器电度表和服务器功率表。
 

辅助计量表的功能
 

辅助计量表的形式可以是智能插头(见图 1)，也可以集成在电器设备(见图 2)或服务器中。不管是哪一种形式，辅助计量表通常执行的是下列功能：
 

· 测量某种电器设备的实时能耗。
 

· 将能耗数据传送给用户。这可以利用辅助计量表自身上的一个简单的 LCD 读出器完成。或者，辅助计量表也能够以无线或有线通信的方法将数据传送到一个远程终端，前者采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技术，而后者则使用串行端口或电力线通信 (PLC) 技术。
 

· 辅助计量表可以选择具备对输送至电器设备的功率实施调节的能力。例如：在尖峰负荷时间关断电器设备或从某个远程位置进行控制。
 

用于能耗测量的组件
 

能耗测量系统需要使用电压和电流传感器、一个用于连接这些传感器的 AFE 和一个负责完成能耗测量计算的 MCU。能耗测量结果可显示在 LCD 屏之上，或通过串行总线发送至其他设备以进行无线通信，如下一页上的图 2 所示。

图 1：MSP430™ 能源看门狗 (Energy Watchdog)2 智能插头参考设计

图 2：能耗测量系统方框图

功率是瞬时电压与电流的乘积。如下面的公式所示，有功能耗为功率的时间积分，以千瓦-小时 (kWh) 为单位来表示。

式中的 Vsamp 为电压样本，Isamp 为电流样本，N 为样本数量。

能耗测量的第一步是分别采用电压和电流传感器来测量输入电压和负载电流。
 

选择电压和电流传感器
 

在辅助计量表中，可以采用简单的电阻分压器作为电压传感器。应选择正确的电阻值以对交流电源电压(通常为 230 VAC 或 120 VAC)进行分压，从而适合模数转换器 (ADC) 的输入范围。图 3 中所示的电阻分压器电路可用于将 230 VAC 的交流电源电压分压至大约 350 mV RMS(其峰值为 495 mV)，然后再馈送至 ADC 的正输入3。电阻器具有最大额定电压，假如超过此电压就会在电阻器本体上引起电弧。如果采用串联的分立电阻器(R1、R2 的 R3)替代单个 1MΩ 电阻器，则允许使用标准电阻器，而不会超过其最大额定电压。

图 3：MSP430AFE2xx 能耗测量 IC 的电压检测电路

电压传感器的另一种替代选择是电压变换器，其可提供与高电压交流电源的隔离。不过，与分立式电阻器相比，电压变换器较为昂贵。
 

电流传感器的选择取决于家用电器所使用的输入交流电源的类型。在美国，诸如冰箱和洗衣机等家用电器依靠单相 120 VAC 电源运作，而大功率电器(比如：干衣机和炊事电炉等)则采用分相 240 VAC 电源工作。对于单相应用，可以在中性线中布设一个低阻值的分路电阻器(图 4)，并可测量分路两端的电压降以计算电流。分路电阻器的阻值由负载电流的范围、ADC 的增益设定值和传感器上的功率耗散决定。分路电阻器的特点是成本低廉且简单易用，但其并未提供电隔离。对于诸如干衣机和炊事炉具等使用分相电源的电器而言，在两条载电线上均必须采用电流变换器。电流变换器可提供电隔离，但成本要比分路电阻器高。

图 4：MSP430AFE2xx 能耗测量 IC 的电流检测电路

位于检测级之后的是无源接口电路，负责在输入信号馈入 ADC 之前对其做进一步的调节。该电路包括一个滤波器，用于消除有可能导致不准确测量的寄生宽带噪声。对于单相家用电器(如冰箱)，需要两个 ADC：一个用于测量电压，另一个用于测量电流。而对于干衣机和炊事炉具，则需要 4 个 ADC，用于测量两个电压和两个电流。可采用具有 16 位或 24 位分辨率及同时采样能力的 ADC 来生成准确的能耗测量结果。
 

能耗测量及报告
 

能耗测量计算利用由 ADC 收集的电压和电流样本来完成。由下式可见，为了计算有功能耗 (active energy)、无功能耗 (reactive energy) 或表观能耗 (apparent energy)，MCU 必须具备针对诸如平方根、平方和除法等常用函数的优良数学库。

式中的 Vsamp 为电压样本，Isamp 为电流样本，N 为样本数量。