直流電能計量的應用和解決方案

直流電能計量應用的發(fā)展與技術優(yōu)勢

在基于寬帶隙半導體（例如GaN和SiC器件）的高效經(jīng)濟型功率轉換技術發(fā)展的推動下，許多應用現(xiàn)在都看到了轉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，以應對長期、復雜的減少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換技術和改進電池化學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，這樣才能無需擔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?？紤]到局部充電峰值功率高達兆瓦的超快充電站和相關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)甚至會作為公用系統(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和解決方案來提高設施的電力效率，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好處，不僅可減少交流和直流之間需要進行的最少轉換次數(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鋁盤中感應渦流。鋁盤上產(chǎn)生的轉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)的旋轉次數(shù)即可計量耗電量。

現(xiàn)代交流電表則更復雜，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)碗妷簜葹榈仉娢粫r，流過電表的電流通常在高電壓側測量，以便盡量減少未計量漏電的風險，但電流也可在低電壓側測量，如果設計架構需要，也可以在兩側測量。通常使用測量和比較負載兩側電流的技術，使電表具有故障和竊電檢測能力。但是，在測量兩側的電流時，至少需要隔離一個電流傳感器，以便處理導體間的高電位。

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轉換結果從AD7779發(fā)送至處理器。SPI接口用以負責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用中用于驗證Σ-Δ型ADC測量結果。此外，AD7779 SAR ADC內(nèi)置一個多路復用器，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公司的電路拓撲結構，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)療設備以及應變計放大器應用極為有利。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ADA4528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用的理想之選，如位置和壓力傳感器、應變計、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的行業(yè)領導者，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，本文所介紹的相關產(chǎn)品，將成為直流電能計量應用的最佳選擇之一。