用于計(jì)量IC模擬輸入的外部濾波器

本應(yīng)用筆記探討了減少Maxim Teridian?電能計(jì)量IC產(chǎn)品組合中串?dāng)_和不準(zhǔn)確等不良副作用的方法。在簡(jiǎn)要介紹ADC輸入之后，本文討論了不同電容和電阻對(duì)計(jì)量IC的影響，以及使用鐵氧體磁珠來降低RF敏感性。

介紹

本應(yīng)用筆記討論了連接到Maxim系列Teridian電能計(jì)量IC模擬輸入端的外部濾波器的設(shè)計(jì)。在大多數(shù)情況下，這些外部濾波器將是低通濾波器，有助于抑制高頻信號(hào)，例如來自光伏逆變器的噪聲。討論了過濾器設(shè)計(jì)和組件選擇的注意事項(xiàng)。遵循這些準(zhǔn)則將確保避免不必要的副作用，例如串?dāng)_、溫度不準(zhǔn)確或負(fù)載電流相移。

基本ADC輸入概念

Teridian 71M6531/71M6532/71M6533/71M6534系列IC的ADC輸入多路復(fù)用到無緩沖的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)。圖1顯示了當(dāng)多路復(fù)用開關(guān)在一個(gè)輸入上閉合時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)的理想簡(jiǎn)化等效電路。有兩個(gè)時(shí)鐘（θ1 和 θ2）驅(qū)動(dòng)異相 180 度的開關(guān)（P1 和 P2）。

圖1.開關(guān)電容輸入網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化等效電路。

當(dāng)P2閉合時(shí)，P1斷開，電容（C）充電至V的輸入電平在.當(dāng)P2打開而P1閉合時(shí)，就會(huì)發(fā)生相反的情況，即電容電荷被轉(zhuǎn)移到表示為V的FIR濾波器外.由于時(shí)鐘的頻率約為5MHz，因此理想情況下，傳輸應(yīng)在大約2/（5MHz）范圍內(nèi)發(fā)生。Maxim建議在ADC輸入端使用1000pF電容作為“電荷”儲(chǔ)能器，以促進(jìn)這種傳輸。此外，Maxim建議在相電流ADC輸入端使用串聯(lián)電阻，以平衡相電壓電阻分壓器串上的750Ω端接電阻。Maxim在演示板中使用750Ω電阻，如圖2所示。

圖2.演示板電壓和電流輸入電路。

圖3顯示了元件對(duì)開關(guān)電容等效電路的影響。它包括輸入多路復(fù)用器和P2開關(guān)的阻抗。

圖3.帶 RC 輸入的開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)。

有關(guān)P2閉合且P1斷開時(shí)開關(guān)電容（C）上的電壓，請(qǐng)參見公式1。設(shè)計(jì)目標(biāo)是在開關(guān) P1 閉合之前讓 VC 穩(wěn)定大約 5 tau。如果不穩(wěn)定，則效應(yīng)變?yōu)锳/D通道中的增益失調(diào)。只要失調(diào)不超過2倍（即CAL_Ix和CAL_Vx的范圍），就可以通過幅度校準(zhǔn)來補(bǔ)償該增益失調(diào)。

（公式1）

如果需要或需要，低通濾波器可以代替平衡電阻和儲(chǔ)能電容。上面討論的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)ADC輸入的概念有助于理解該電阻的選擇以及ADC精度的電容值。

選擇電容器的類型

根據(jù)元件的用途，選擇的電容器類型可能是一個(gè)重要因素。如果電容器用作儲(chǔ)能電容器以促進(jìn)開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)中的電荷轉(zhuǎn)移，則可以使用X7R型電容器。該儲(chǔ)能電容使用推薦的Maxim值（1000pF和750Ω）和阻抗平衡電阻構(gòu)成低通濾波器。該低通濾波器形成一個(gè)212kHz、3dB的頻率點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)頻率響應(yīng)的影響極小，通常高達(dá)基頻的20次諧波。

如果使用抗混疊濾波器或抑制高頻噪聲的濾波器（通常是低通濾波器），這些濾波器類型通常會(huì)形成較低的3dB頻率點(diǎn)，影響基頻增益和相位。在這些情況下，電路元件的選擇更為關(guān)鍵。

由于其特性，NPO型電容器將是電容器的更好選擇。它在整個(gè)溫度范圍內(nèi)比 X7R 型電容器更穩(wěn)定，通常為 ±30ppm/°C vs. ±15%（-55°C 至 +125°C 范圍內(nèi)為 ±883ppm/°C）。此外，NPO型電容器的低交流頻率和電壓特性優(yōu)于X7R型電容器。

圖4顯示了50Hz小幅度信號(hào)對(duì)NPO型和X7R型電容器的影響。被測(cè)試的NPO型電容器具有幾乎相同的響應(yīng)，但X7R型電容器顯示出電壓系數(shù)。隨著儀表負(fù)載電流的變化，電容的這種變化是Wh隨相位變化不準(zhǔn)確的來源。

圖4.50Hz幅度信號(hào)對(duì)NPO型和X7R型電容器的影響。

圖5以電容變化百分比的形式顯示了這種不精度。為了說明這種效果，請(qǐng)考慮一個(gè)典型的200A電流。有效值使用電流互感器 （CT） 的儀表，校準(zhǔn)電流為 30A有效值用于室溫下的幅度和相位。如果電流ADC輸入端帶有負(fù)載電阻的CT傳感器的交流電壓為0.177V有效值在 200A 時(shí)有效值，則交流電壓為200A有效值儀表校準(zhǔn)電流為 30A有效值為 0.027V有效值.電容的變化約為1.5%。當(dāng)功率因數(shù)（PF）從1.0變?yōu)?.5時(shí)，這種差異成為電流通道上的未補(bǔ)償相移，并成為Wh讀數(shù)不準(zhǔn)確的來源。

圖5.由于電容漂移導(dǎo)致的不準(zhǔn)確。

最后，NPO型電容器比X7R型電容器具有更好的老化特性。圖6顯示，X7R電容隨時(shí)間推移而減小。這種減少是由電容器內(nèi)電偶極子的松弛或重新對(duì)齊引起的。NPO型電容器不會(huì)遇到這種現(xiàn)象。

圖6.老化電容器的影響。

選擇電阻器類型

為平衡電阻或低通濾波器選擇的電阻類型不如所選的電容器類型重要。平衡電阻和低通濾波器均可使用1%電阻，因?yàn)樗鼈兺ǔ３杀据^低，并且在幅度校準(zhǔn)期間對(duì)其容差進(jìn)行補(bǔ)償。應(yīng)注意為低通濾波器選擇最佳溫度系數(shù)，以減少Wh精度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的不準(zhǔn)確性。

射頻抑制濾波器

電表設(shè)計(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是射頻敏感性。隨著功率計(jì)內(nèi)用于自動(dòng)抄表（AMR）的更強(qiáng)大的無線電設(shè)備的出現(xiàn)，計(jì)量IC附近的RF場(chǎng)已經(jīng)超過了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中列出的水平。為了抑制這些RF場(chǎng)，許多電表設(shè)計(jì)人員使用鐵氧體磁珠來“燃燒”這些RF能量。

典型的方法是將鐵氧體磁珠放置在相電壓和相電流進(jìn)入印刷電路板（PCB）的點(diǎn)處，以在RF能量進(jìn)入任何電路之前“燒掉”RF能量。然而，似乎有一種設(shè)計(jì)趨勢(shì)，即把鐵氧體磁珠放在更靠下線的地方，在某些情況下，直接放在計(jì)量IC的ADC輸入端。這種趨勢(shì)可能是由于天線位置，射頻能量仍然進(jìn)入PCB的電路。

Maxim發(fā)現(xiàn)，將鐵氧體磁珠與71M653X的ADC輸入直接串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致Wh讀數(shù)隨溫度變化不準(zhǔn)確。這些不準(zhǔn)確性是由鐵氧體磁珠電感與開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的相互作用引起的。鐵氧體磁珠被建模為電感和電阻。圖7顯示了開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化等效電路，其中包括鐵氧體磁珠模型。

圖7.帶鐵氧體磁珠的開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化等效電路。

當(dāng)P2閉合而P1開路時(shí)，模型成為經(jīng)典的RLC電路。等式2、3和4顯示了該電路的電流環(huán)路計(jì)算結(jié)果。

（公式2）

哪里

（公式3）

阻尼系數(shù)是

（公式4）

阻尼因子的值決定了電流的行為。

如果δ > 1，即過阻尼，則計(jì)算

（公式5）

如果 δ = 1，即臨界阻尼，則計(jì)算

如果δ < 1，即阻尼不足，則計(jì)算

和

（公式8）

為了計(jì)算阻尼因子值，需要確定鐵氧體在信號(hào)頻率下的L和R。以村田制作所BLM15HD102SN1D的特性為例，如圖8所示。L 約為 1μH，R = 0.1Ω（在此討論中使用直流電阻），范圍為 50Hz 至 60Hz。

圖8.用于計(jì)算阻尼系數(shù)值的示例特性。

使用這些值和 R西 南部= 50Ω，阻尼系數(shù)為0.08，即欠阻尼。圖9顯示了底部信號(hào)中這種欠阻尼響應(yīng)的衰減振蕩響應(yīng)。

圖9.ADC輸入端帶鐵氧體磁珠的開關(guān)電容電壓。

在圖9中，單端ADC輸入為0.25V。紅色信號(hào)為 P1。藍(lán)色信號(hào)是開關(guān)電容（C）兩端的電壓，L = 1μH， R = 0.1Ω， R西 南部= 50Ω，C = 10pF。綠色信號(hào)是開關(guān)電容 （C） 兩端的電壓，L = 2μH， R = 0.1Ω， R西 南部= 50Ω，C = 10pF。

請(qǐng)注意，當(dāng)L值隨溫度從1μH變化到2μH時(shí)，響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。由此產(chǎn)生的偏移值與室溫下補(bǔ)償?shù)姆炔煌词乖赑F = 1時(shí)，Wh讀數(shù)也會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確。由于這種效應(yīng)，Maxim建議不要將鐵氧體磁珠直接與ADC輸入串聯(lián)。

如果在計(jì)量IC附近使用鐵氧體磁珠，Maxim建議將其放在平衡電阻和儲(chǔ)能電容之前（見圖10）。

圖 10.建議在ADC輸入附近放置鐵氧體磁珠。

圖11顯示了這種放置在頂部信號(hào)中的影響。在 P1 閉合之前，響應(yīng)會(huì)迅速減弱。另一種方法是在鐵氧體磁珠和ADC輸入之間放置一個(gè)電阻，并改變阻尼因數(shù)。

圖 11.ADC輸入端具有鐵氧體磁珠和RC的開關(guān)電容電壓。

在圖11中，單端ADC輸入為0.25V。紅色信號(hào)為P2。藍(lán)色信號(hào)是開關(guān)電容 （C） 兩端的電壓，L = 1μH、R = 750Ω 和 C = 1000pF。

結(jié)論

由于采用無緩沖開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，因此在選擇與Teridian電能計(jì)量IC的Maxim產(chǎn)品組合的ADC輸入接口的濾波器元件時(shí)必須小心。正確的選擇將避免副作用，例如串?dāng)_、溫度范圍內(nèi)的不準(zhǔn)確性或由于負(fù)載電流上的額外相移而導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性。

審核編輯：郭婷