使用ADE9153A向系統(tǒng)添加能量監(jiān)控時(shí)的布局考慮因素

Aaron Heredia

將電能測(cè)量添加到系統(tǒng)中通常涉及廣泛的校準(zhǔn)過程。ADE9153A是一款具有mSure自動(dòng)校準(zhǔn)功能的能量計(jì)量IC，可簡化電能測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程。ADE9153A可集成到各種系統(tǒng)中，如街道照明、數(shù)據(jù)中心能效測(cè)量、智能配電、智能插頭和機(jī)器健康。

圖1顯示了ADE9153A與單相系統(tǒng)配置的基本連接，其中分流電阻用于電流檢測(cè)，分電位器用于電壓檢測(cè)。隔離柵將控制器與ADE9153A器件隔開，這是許多應(yīng)用的要求，因?yàn)锳DE9153A接地處于危險(xiǎn)電壓。

本應(yīng)用筆記介紹了在現(xiàn)有系統(tǒng)中增加ADE9153A能量監(jiān)控電路時(shí)的布局考慮因素。

圖1.ADE9153A與主系統(tǒng)的連接（未顯示所有連接）

ADE9153A布局建議

相電流通道

ADE9153A的電流通道與其他電能計(jì)量IC的電流通道設(shè)計(jì)不同，因?yàn)锳DE9153A需要額外的傳感器端子和PCB才能實(shí)現(xiàn)mSure功能。

ADE9153A IAMS引腳支持將mSure注入到分流器中。布局對(duì)電能測(cè)量系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

圖2所示為采用EV-ADE9153ASHIELDZ的SMD分流器。PCB中還有一個(gè)額外的占位面積，連接到ADE9153A的IAMS引腳和接地（GND）平面，以實(shí)現(xiàn)mSure功能。

圖2.表面貼裝器件 （SMD） 分流器

圖3顯示了SMD分流器的俯視圖及其推薦的PCB尺寸和走線。分流器的IAP端是電流通道的正差分端，分流器的IAN端是電流通道的負(fù)差分端。出于設(shè)計(jì)原因，電流通道的信號(hào)更容易通過IAN引腳布線，分流器的背景電流反轉(zhuǎn)，AI_PGAGAIN寄存器中的AI_SWAP位必須設(shè)置為0x0。

圖3.SMD 分流器的推薦 PCB 占位面積和走線

圖 3 還顯示了直接連接到 IAMS 引腳（引腳 6）的 m Sure 輸入走線和連接到 GND 平面的 mSure 返回跡線。

使 m 確定跡線和 m確定返回跡線遠(yuǎn)離模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 輸入走線（IAP 和 IAN）。mSure 返回信號(hào)必須具有連接到 DGND（引腳 1）的接地層的最短返回路徑。

在自動(dòng)校準(zhǔn)期間，ADE9153A的IAMS引腳通過mSure跡線輸出mSure信號(hào)，并將信號(hào)注入分流器。必須在靠近IAMS引腳的IAMS引腳和GND平面上放置值在0.1 μF和1 μF之間的電容。該電容器可保護(hù)電路免受電快速瞬變的影響（見圖4）。

圖4.IAMS 電容器，抗電快速瞬變

距離IAMS引腳最遠(yuǎn)的走線必須寬約1.5 mm，才能有效管理來自IAMS引腳的電流。當(dāng)走線靠近引腳時(shí)，該走線會(huì)慢慢變細(xì)，直到走線達(dá)到大約 0.25 mm 以匹配引腳寬度。

圖5顯示了IAMS的PCB走線（mSure in）。該走線被PCB頂層和底層的GND平面包圍，這些平面通過過孔互連。

圖5.IAMS 跟蹤

零線電流通道（可選）

圖6顯示了在IB端子（IMBS、IBN和IBP）中推薦使用電流互感器。mSure 繞組必須與零線繞組電氣隔離。將CT負(fù)載電阻的IBMS端子直接連接到芯片的IBMS引腳（引腳19），并將IBMS_BACK端子、返回線或mSure繞組連接到GND平面。

圖6.帶 m確定注射端子的 CT 設(shè)計(jì)

ADE9153A的IBMS引腳輸出感應(yīng)到中性線CT初級(jí)繞組的mSure信號(hào)。該信號(hào)必須具有連接到DGND（引腳20）的GND平面的最短返回路徑。在 IBMS 走線和靠近 IBMS 引腳的 GND 平面之間放置一個(gè)電容器，以抗電快速瞬變。IBM 的推薦原理圖和布局與 IAMS 的推薦原理圖和布局類似，如圖 4 和圖 5 所示。

如果電能測(cè)量系統(tǒng)不需要零線電流測(cè)量，則短路零線電流通道輸入IBN（引腳11）和IBP（引腳12）。此外，短 IBMS（引腳 19），連接到 GND 平面和 DGND（引腳 20），如圖 7 所示。

圖7.建議使用未使用的 IBP 引腳、IBN 引腳和 IBMS 引腳的走線連接

電壓通道

圖8顯示了用于測(cè)量電源電壓的接口電路。ADE9153A的VAMS引腳輸出mSure信號(hào)，該信號(hào)注入分壓器的底部。電壓通道上的衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)折頻率（3 dB）與電流通道輸入中的抗混疊濾波器的轉(zhuǎn)折頻率相匹配。

圖8.電壓通道原理圖

將VAN引腳短接至VAMS引腳，并在VAP走線周圍形成一個(gè)完整的保護(hù)裝置，如圖9所示。使用裸銅 VAMS 走線一直圍繞 VAP 走線（寬度為 0.1 mm）創(chuàng)建防護(hù)裝置。

圖9.VAP 跟蹤

保護(hù)走線必須穿過ADE9153A封裝，并將VAMS引腳連接到VAN引腳。走線必須盡可能靠近VAP引腳，并包括一小部分裸銅，如圖3中的標(biāo)簽10所示。

圖 10.ADE9153A和VAP引腳護(hù)罩的側(cè)視圖

圖10顯示了安裝在VAP引腳護(hù)罩PCB布局上的ADE9153A的側(cè)視圖。圖中的編號(hào)標(biāo)簽如下：

標(biāo)簽 1A 和標(biāo)簽 1B 表示 VAP 引腳后面的防護(hù)裝置。將此裸銅走線短路至ADE13A封裝的VAMS（引腳15）和VAN（引腳9153）的裸焊盤，不會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生任何負(fù)面影響。確保此走線有足夠的空間，以避免走線短路到ADE9153A占位面積中心的裸露焊盤。

標(biāo)簽 2 表示裸銅走線與引腳 13 和引腳 15 的裸焊盤之間的覆蓋走線。確保此走線絕緣，以便于焊接器件。

標(biāo)簽 3 表示沿著走線到電位分壓器的全裸銅。為便于焊接，請(qǐng)確保此裸銅走線不會(huì)延伸到ADE13A封裝引腳15和引腳9153的裸焊盤。確保引腳附近的走線完全絕緣且不裸露。

圖 11.VAMS 和 VAN Guard

出于抗噪目的，VAMS和VAN保護(hù)連接通過過孔和底層走線環(huán)繞著一條小走線（見圖12）。

圖 12.通過過孔實(shí)現(xiàn)VAMS和VAN互連

抗混疊濾波器

圖13和圖14是電流通道抗混疊濾波器的原理圖。濾波器必須靠近分流器的端子放置，如果有中性通道，則必須放置在CT附近。在布局中，確?？够殳B電容對(duì)稱且靠近模擬前端，并有平行走線饋入引腳。電壓通道部分描述了電壓通道的抗混疊濾波器。

圖 13.相電流通道抗混疊原理圖

圖 14.中性電流通道抗鋸齒原理圖

晶體和電容器

為了獲得最佳m Sure自動(dòng)校準(zhǔn)的性能，請(qǐng)考慮晶體部分和抗混疊電容器部分中提供的晶體選擇和抗混疊電容器選擇參數(shù)。

晶體

根據(jù)以下規(guī)格選擇晶體：

工作溫度：?40°C 至 +85°C

頻率容差：≤ ±50 ppm

頻率穩(wěn)定性：≤ ±30 ppm

為了保護(hù) CLKIN 引腳和 CLKOUT 引腳免受噪聲和干擾的影響，請(qǐng)避免與負(fù)載電容器以及 CLKIN 引腳和 CLKOUT 引腳進(jìn)行長連接，因?yàn)檫@些連接會(huì)在晶體布局中產(chǎn)生大環(huán)路。

使CLKIN引腳的負(fù)載電容盡可能靠近引腳。保持 CLKOUT 引腳的負(fù)載電容靠近引腳，但距離可以大于 CLKIN 負(fù)載電容與 CLKIN 引腳之間的距離。

避免與負(fù)載電容器進(jìn)行長連接，以免在晶體布局中產(chǎn)生大環(huán)路。此配置可保護(hù) CLKIN 引腳和 CLKOUT 引腳免受噪聲和干擾的影響。

為防止時(shí)鐘的快速信號(hào)與信號(hào)走線耦合，請(qǐng)勿在晶體布局附近布線信號(hào)走線。

有關(guān)計(jì)算負(fù)載電容值和選擇晶體的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱ADE9153A技術(shù)參考手冊(cè)。

圖 15.晶體電容器和負(fù)載電容器的推薦布局

抗混疊電容器

在相電流通道、中性線電流通道和電壓通道的輸入端使用 C0G （NP0） 抗混疊電容器。

去耦電容器

去耦電容的推薦電容值為4.7 μF和0.1 μF。定位這些電容時(shí)，請(qǐng)確保0.1 μF電容是離芯片最近的電容，并且電容和器件引腳之間的連接盡可能短（見圖16）。

圖 16.ADE9153A上的電容布局

將AGND引腳和DGND引腳連接到PCB頂層的GND平面。在這些引腳附近放置一個(gè)過孔，將引腳連接到PCB底層的GND平面。

REFIN和AVDDOUT去耦電容通過GND連接到AGND引腳（引腳17），如圖17所示。PCB底層靠近AGND引腳的GND平面的過孔改善了該區(qū)域接地的布線。

圖 17.REFIN 和 AVDDOUT 接地去耦電容器連接

電源

EV-ADE9153ASHIELDZ使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器ADuM6000為ADE9153A上電。

該板具有隔離電源。但是，ADE9153A系統(tǒng)的電源可以是隔離式的，也可以是非隔離式的。選擇使用哪種電源取決于應(yīng)用類型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

使用隔離電源的連接

測(cè)量儀的電源輸入需要連接到帶電端子和中性端子。使用隔離電源時(shí)，將變壓器輸入接地至帶電端子，該端子連接到分流器。僅通過分流器將變壓器輸入連接到帶電端子，而不連接到GND平面。確保GND平面和變壓器輸入的唯一交匯點(diǎn)是帶電端子。

將金屬氧化物壓敏電阻（MOV）連接在帶電端子和中性端子之間和附近。該MOV保護(hù)電源和分壓器，這是器件中唯一受高壓影響的部件，可導(dǎo)致高電流在相線和零線中流動(dòng)。拉動(dòng)中性端子時(shí)，走線不得破壞 IAMS 走線和 IBMS 走線下方的 GND 平面。電源輸出的接地必須連接到 GND 平面。圖 18 顯示了建議的電源連接。

圖 18.隔離電源接地連接

使用非隔離電源的連接

使用非隔離電源時(shí)，通過分流器將帶電端子連接到 MOV。 將 MOV 的另一個(gè)端子連接到中性線端子和連接到電源的正溫度系數(shù) （PTC） 熱敏電阻。如果發(fā)生錯(cuò)誤，MOV 會(huì)保護(hù)設(shè)備免受電源電流突然增加的影響。圖19顯示了一個(gè)非隔離電源連接。

圖 19.非隔離電源連接

接地和隔離

ADE9153A的接地和微控制器的接地必須正確隔離。在配置主接地布局時(shí)，請(qǐng)考慮設(shè)備、傳感器、電源和設(shè)備其他組件的位置。本節(jié)使用EV-ADE9153ASHIELDZ的接地布局來解釋接地分為初級(jí)接地和次級(jí)接地（見圖20）。

圖 20.EV-ADE9153A屏蔽電路板

地面平面

接地必須設(shè)計(jì)正確，以盡量減少來自內(nèi)部和外部源的噪音。不正確的接地設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致噪聲進(jìn)入器件，并影響模擬電路和mSure通道的性能和功能。建議在PCB的頂層和底層都有一個(gè)GND平面。

圖20的左側(cè)描述了底層GND平面的布局。

次級(jí)接地層（SGND）是控制器接地的地方，與ADE9153A的所有接地和帶電完全隔離。

抗混疊濾波器、分流器和電位分壓器（上部）不會(huì)破壞GND平面。有關(guān)電源的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱電源部分。

主接地層

構(gòu)建主接地層時(shí)，請(qǐng)遵循以下準(zhǔn)則：

通過GND平面連接ADE9153A的AGND引腳和DGND引腳，實(shí)現(xiàn)盡可能低的阻抗連接。

通過電流分流器將帶電輸入連接到頂層的GND平面。

模擬接地終止于GND平面。（GND平面還為ADE9153A中的數(shù)字電路提供接地基準(zhǔn)電壓源。

將 DGND 引腳連接到頂層的 GND 平面。ADE9153A的去耦電容、晶體振蕩器、電源輸出地和許多其他支持元件均在GND平面接地。

圖21顯示了ADE9153A的典型接地層連接。標(biāo)簽 2 表示 GND 平面。REFIN和AVDDOUT的接地直接通向AGND引腳，不形成平面（參見晶體和電容部分）。

圖 21.接地平面（頂層）

過孔連接PCB頂層和底層的接地層（見圖22）。DGND引腳和AGND引腳必須通過位于引腳附近的通孔連接到頂層和底層的GND平面。

圖 22.帶過孔的接地平面（底層）

GND平面位于VAN和VAMS防護(hù)罩下方，如圖23所示。該GND平面保護(hù)電壓通道的分壓器和抗混疊濾波器的較低電阻。沒有GND平面位于分壓器的上高壓側(cè)下方。

圖 23.VAMS 和 VAN 防護(hù)下的 GND 飛機(jī)

隔離

將電能測(cè)量添加到系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中需要一個(gè)隔離柵，將電能測(cè)量電路的電壓和接地與控制器分開。

ADE9153A在電源電壓下浮動(dòng)。因此，為了安全起見，應(yīng)用中的隔離是必要的。隔離的一個(gè)常見位置是ADE9153A和微控制器單元（MCU）之間?；蛘撸梢栽贛CU和通信之間隔離。

隔離柵必須包含隔離器或具有電源隔離和數(shù)據(jù)隔離通道的IC，以將包含電能測(cè)量系統(tǒng)的高壓側(cè)與包含系統(tǒng)控制器或處理器的安全側(cè)分開（見圖24）。在EV-ADE9153ASHIELDZ上，ADUM6000ARIZ提供隔離電源，ADUM4152BRIZ SPI隔離器隔離串行外設(shè)接口（SPI）和低速數(shù)字接口信號(hào)。

圖 24.EV-ADE9153ASHIELDZ的隔離柵

選擇隔離器件時(shí)，應(yīng)考慮數(shù)據(jù)速率、空間要求和電壓要求等關(guān)鍵要求。

應(yīng)用示例

智能街道照明

智能街道照明將收入級(jí)電能計(jì)量集成到一個(gè)專為提高能效而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，具有自動(dòng)開關(guān)控制、調(diào)光控制和故障報(bào)警功能。智能街道照明的一個(gè)特點(diǎn)是遠(yuǎn)程維護(hù)和開發(fā)，ADE9153A的自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)非常適合遠(yuǎn)程維護(hù)和開發(fā)。

在公用事業(yè)計(jì)量中，電表的電源消耗不向客戶計(jì)費(fèi)，因此，電表的電源連接在分流電阻器之前。在某些應(yīng)用中，例如某些街道照明應(yīng)用，有些配置需要測(cè)量整個(gè)負(fù)載（包括測(cè)量模塊）的功耗。在這種情況下，電源連接在分流電阻器之后。通過 m Sure 所需的分流傳感器的功耗調(diào)制可能會(huì)導(dǎo)致 mSure 中的錯(cuò)誤，這些結(jié)果因電源設(shè)計(jì)而異。這些誤差特定于電源設(shè)計(jì)，必須在每個(gè)完整系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)量。這些錯(cuò)誤可能大約是百分之零點(diǎn)幾。按照標(biāo)準(zhǔn)建議在分流電阻器之前連接模塊的電源。

多路輸出能量測(cè)量

數(shù)據(jù)中心的配電單元 （PDU） 具有多個(gè)用于分配電能的單相插座。使用ADE9153A監(jiān)控一個(gè)插座消耗的能量。圖26顯示了PDU應(yīng)用中幾個(gè)ADE9153A器件的基本圖示。

圖 25.分流電阻器后的電源連接

圖 26.多路輸出能量測(cè)量

結(jié)論

將ADE9153A作為電能測(cè)量器件添加到系統(tǒng)中時(shí)，本應(yīng)用筆記中的指南和建議至關(guān)重要。

以下是這些建議的簡短摘要：

SMD 電流通道的布局必須由 IAMS 注入的 m 確定返回和 m確定返回組成。確保在IAMS和地上放置一個(gè)電容器，以抗電快速瞬變。

大多數(shù)應(yīng)用不需要零線電流測(cè)量。在這種情況下，IBP 引腳和 IPN 引腳必須短接在一起，IBMS 引腳和 DGND 引腳必須一起短接。當(dāng)使用電流互感器測(cè)量中性線電流通道時(shí)，需要額外的導(dǎo)線進(jìn)行IBMS注入。

電位分壓器的VAP走線必須被VAMS和VAN防護(hù)裝置包圍。遵循建議的布局和銅纜走線要求。

抗混疊濾波器必須是對(duì)稱的，并且位于傳感器附近，并具有平行走線饋入ADE9153A的引腳。

晶體必須具有 ≤ ±50 ppm 的頻率容差和 ≤ ±30 ppm 的穩(wěn)定頻率。保持晶體的負(fù)載電容靠近引腳。

系統(tǒng)可以使用控制器部分的電源或ADE9153A的單獨(dú)電源。遵循建議的布局。

器件的所有接地必須在接地層相遇。確保系統(tǒng)的高壓側(cè)和安全側(cè)是隔離的。

審核編輯：郭婷