工业电源测量浅谈

作者：Miro Oljaca，Skip Osgood，德州仪器公司

引言

目前，工业市场呈现出更高电能利用率的趋势，这就要求不断改进对电源系统的监控。对电源的适当管理与分配对工业领域的节能与总体电源利用情况非常重要。在制定决策和确保适当保护输电网与终用户时，准确、实时的测量尤为重要。

图1示出了必须测量三相涌流时的典型高压电力传输系统。对所生成的极高电压必须进行隔离和衰减，以便与低电压测量及相应控制系统的输入容量相匹配。通过电源变压器进行级高电压隔离。例如，来自发电站的220 kV电压可转换成只有220V的较低电平。由于这一电压对于当前的模数转换器(ADC)还是太大，因此需要进一步进行三相隔离。下一步是将220V的电压转换成可测量的±10V信号，以提供必需的控制与保护电路。负载电流测量也需要相同的隔离、测量、控制与保护；通过高压变压器可以重复上述操作，以降低电压。

尽管输入频率相对较低，但每次测量的时序非常重要，这一配置使我们必须对多个通道同时进行测量。本文将详细介绍在这些测量中适当启用信号调节与数据转换的几种方法。

利用高压组件进行测量

电压与电流测量较常见的解决方案之一就是使用高压组件。来自变压器或变流器的信号经滤波后可通过运算放大器加以缓冲，变压器与运算放大器之间的必须有一个电阻、电容(RC)滤波器，用以限制电压尖峰与输入电流，图2示出了采用这一配置的典型应用电路。

R1与C1可滤除变压器可能产生的电压尖峰。输入电阻器R1还有助于限制瞬态输入电流并保护运算放大器的高阻抗、非反相输入引脚。经R2与C2再次滤波可将运算放大器与电荷注入器件暂时隔离。电荷注入器件通常与当前的逐次逼近寄存器(SAR)架构ADC关联。通过这种方法，可以对变压器（通常为20 Vpp或±10 Vpp）的输出电压进行缓冲并将其传递给ADC输入端。

不过，这款简单的电路也存在一些缺点。首先必须使用三个电源才能让这个电路正常工作（这也是的缺点）：运算放大器与ADC的模拟部分分别需要一个±12 V的电源，处理器接口需要一个5 V电源。这三个电源必须专门用于电路的模拟测量部分，不能从用于数字处理或中继驱动器的任何有噪声的辅助电源派生。同时，这些要求使得电路板布局变得极为复杂，并且不可避免地增加了多层印刷电路板(PCB)的设计成本。第二个问题在于有限的组件数量：只有少数几家制造商能够提供具有±10 V输入电压的ADC。

利用低压组件进行测量

另一个解决方案是利用低压组件进行电源测量。在这一特定的情况下，我们所提及的组件都是使用低成本的5 V单电源进行模拟测量。图3示出了使用这些低成本、低电压组件的建议解决方案。来自隔离变压器的±10 V信号直接传输至差动放大器（例如TI公司的INA159）的输入端。100 kΩ电阻器的高输入阻抗与±30 V的输入电压使得这一连接成为可能。另外还可对内部电阻器进行微调，以达到的线性度及共模抑制比(CMRR)。

随后可对输出信号进行电平转换并衰减到0.5 V ~ 4.5 V，然后直接传输到ADC（例如TI公司的ADS8365）。这款全新的16位6通道同步采样的低功耗SAR转换器通过6个ADC提供固有的采样和保持特性，该器件可用于电源测量应用。在该应用中，测量三相电压与三相电流。

使用ΔΣ转换器进行测量

第三种可选解决方案是使用ΔΣ ADC来转换输入信号。使用ΔΣ ADC转换器进行测量的主要优势之一是可以使用数字滤波器。数字滤波器不仅能够滤除转换器的量化噪声，而且还能以固有的方式对此类应用中存在的较大噪声定形，并将其排除在信号频带之外。在某些测量中除采用前面提到的6通道外还增加了另外两个通道。在这些情况下，也可以测量零线(neutral line)电压与电流。ΔΣ转换器（例如TI公司的ADS1204）具有四个16位性能独立的ΔΣ调制器。通过使用两个ADS1204转换器，可以同时从8个输入通道获得测量数据。

图4说明了四通道解决方案。INA159可对来自变压器的输入信号进行衰减并调节电平。ADS1204将此信号数字化，并提供位流输出。可编程数字滤波器（本例中为TI公司的AMC1210）可处理该位流并提供16位二进制输出，DSP或微控制器可利用该输出提供测量与控制算法功能。在这一特定的情况下，对于实时工业测量，推荐使用TI公司的TMS320F280x。

总结

当系统电源监视设备的设计存在非常高的电压时，可以使用现有的组件来创建简单、高性能、低成本电压与电流测量解决方案，上述解决方案仅为其中的几种而已。还有两种简单易用的方法：具有附加对被测信号模拟滤波功能的SAR转换器以及具有固有数字滤波器的ΔΣ转换器。这两款解决方案均可提供高性能测量。然而关于采用何种解决方案取决于给定应用的要求。

从历史的角度来看，发电站电压和电流测量之间的隔离由变压器提供，并且已被公认为是成本的、长期可靠的解决方案。近我们还推出了其它的隔离技术，这些技术可能允许进行信号调节，并允许ADC转换在隔离层的发电站一端进行，以提高测量准确度。这一全新的隔离技术采用电容式隔离层（例如TI公司的ISO721）来提供高达6 kV的隔离（可能超出该值）。再参照图4，可以在ADS120x调制器与AMC1210数字滤波器之间实施隔离层，从而不需要再使用图1中的其它隔离变压器。在随后几个月里将推出更多的隔离产品，包括可在隔离层的高电位侧进行模拟测量的器件。