引言

諸如智能插頭和電器電度表等輔助計量 (sub-metering) 應(yīng)用使消費(fèi)者能夠了解和控制其電能使用狀況。其他的輔助計量應(yīng)用(如服務(wù)器功率表)則可幫助 IT 部門優(yōu)化服務(wù)器群的功耗。在設(shè)計輔助計量表時，像傳感器、模擬前端 (AFE) 組件和微控制器 (MCU) 的選擇之類的考慮因素對于決定總體系統(tǒng)成本與復(fù)雜性有著舉足輕重的影響。作為一款有效的實(shí)施方案，其應(yīng)易于設(shè)計并具有低量產(chǎn)成本，同時滿足應(yīng)用的主要需求 - 可靠地測量和報告電能消耗信息。本文將討論 MSP430AFE2xx IC1 在能耗測量應(yīng)用中的特性與優(yōu)勢。雖然 MSP430AFE2xx 完全適合公用事業(yè)級電力表中的能耗測量，不過本文將專門討論其在輔助計量中的應(yīng)用。在本文中，輔助計量指的是非公用事業(yè)型的電能計量應(yīng)用，例如：智能插頭、電器電度表和服務(wù)器功率表。

輔助計量表的功能

輔助計量表的形式可以是智能插頭(見圖 1)，也可以集成在電器設(shè)備(見圖 2)或服務(wù)器中。不管是哪一種形式，輔助計量表通常執(zhí)行的是下列功能：

· 測量某種電器設(shè)備的實(shí)時能耗。

· 將能耗數(shù)據(jù)傳送給用戶。這可以利用輔助計量表自身上的一個簡單的 LCD 讀出器完成。或者，輔助計量表也能夠以無線或有線通信的方法將數(shù)據(jù)傳送到一個遠(yuǎn)程終端，前者采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技術(shù)，而后者則使用串行端口或電力線通信 (PLC) 技術(shù)。

· 輔助計量表可以選擇具備對輸送至電器設(shè)備的功率實(shí)施調(diào)節(jié)的能力。例如：在尖峰負(fù)荷時間關(guān)斷電器設(shè)備或從某個遠(yuǎn)程位置進(jìn)行控制。

用于能耗測量的組件

能耗測量系統(tǒng)需要使用電壓和電流傳感器、一個用于連接這些傳感器的 AFE 和一個負(fù)責(zé)完成能耗測量計算的 MCU。能耗測量結(jié)果可顯示在 LCD 屏之上，或通過串行總線發(fā)送至其他設(shè)備以進(jìn)行無線通信，如下一頁上的圖 2 所示。

圖 1：MSP430™ 能源看門狗 (Energy Watchdog)2 智能插頭參考設(shè)計

圖 2：能耗測量系統(tǒng)方框圖

功率是瞬時電壓與電流的乘積。如下面的公式所示，有功能耗為功率的時間積分，以千瓦-小時 (kWh) 為單位來表示。

式中的 Vsamp 為電壓樣本，Isamp 為電流樣本，N 為樣本數(shù)量。

能耗測量的第一步是分別采用電壓和電流傳感器來測量輸入電壓和負(fù)載電流。

選擇電壓和電流傳感器

在輔助計量表中，可以采用簡單的電阻分壓器作為電壓傳感器。應(yīng)選擇正確的電阻值以對交流電源電壓(通常為 230 VAC 或 120 VAC)進(jìn)行分壓，從而適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的輸入范圍。圖 3 中所示的電阻分壓器電路可用于將 230 VAC 的交流電源電壓分壓至大約 350 mV RMS(其峰值為 495 mV)，然后再饋送至 ADC 的正輸入3。電阻器具有最大額定電壓，假如超過此電壓就會在電阻器本體上引起電弧。如果采用串聯(lián)的分立電阻器(R1、R2 的 R3)替代單個 1MΩ 電阻器，則允許使用標(biāo)準(zhǔn)電阻器，而不會超過其最大額定電壓。

圖 3：MSP430AFE2xx 能耗測量 IC 的電壓檢測電路

電壓傳感器的另一種替代選擇是電壓變換器，其可提供與高電壓交流電源的隔離。不過，與分立式電阻器相比，電壓變換器較為昂貴。

電流傳感器的選擇取決于家用電器所使用的輸入交流電源的類型。在美國，諸如冰箱和洗衣機(jī)等家用電器依靠單相 120 VAC 電源運(yùn)作，而大功率電器(比如：干衣機(jī)和炊事電爐等)則采用分相 240 VAC 電源工作。對于單相應(yīng)用，可以在中性線中布設(shè)一個低阻值的分路電阻器(圖 4)，并可測量分路兩端的電壓降以計算電流。分路電阻器的阻值由負(fù)載電流的范圍、ADC 的增益設(shè)定值和傳感器上的功率耗散決定。分路電阻器的特點(diǎn)是成本低廉且簡單易用，但其并未提供電隔離。對于諸如干衣機(jī)和炊事爐具等使用分相電源的電器而言，在兩條載電線上均必須采用電流變換器。電流變換器可提供電隔離，但成本要比分路電阻器高。

圖 4：MSP430AFE2xx 能耗測量 IC 的電流檢測電路

位于檢測級之后的是無源接口電路，負(fù)責(zé)在輸入信號饋入 ADC 之前對其做進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。該電路包括一個濾波器，用于消除有可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確測量的寄生寬帶噪聲。對于單相家用電器(如冰箱)，需要兩個 ADC：一個用于測量電壓，另一個用于測量電流。而對于干衣機(jī)和炊事爐具，則需要 4 個 ADC，用于測量兩個電壓和兩個電流?？刹捎镁哂?16 位或 24 位分辨率及同時采樣能力的 ADC 來生成準(zhǔn)確的能耗測量結(jié)果。

能耗測量及報告

能耗測量計算利用由 ADC 收集的電壓和電流樣本來完成。由下式可見，為了計算有功能耗 (active energy)、無功能耗 (reactive energy) 或表觀能耗 (apparent energy)，MCU 必須具備針對諸如平方根、平方和除法等常用函數(shù)的優(yōu)良數(shù)學(xué)庫。

式中的 Vsamp 為電壓樣本，Isamp 為電流樣本，N 為樣本數(shù)量。

一旦計算出能耗測量結(jié)果，即可利用輔助計量表自身或一個遠(yuǎn)程終端上的 LCD進(jìn)行顯示。MCU 可通過串行通信接口與 LCD 驅(qū)動器或無線通信模塊相連。倘若采用的是分路電阻器和分壓器之類的非隔離傳感器，抑或 AFE 和 MCU 以饋電線電壓為基準(zhǔn)，則應(yīng)對連接至其他采用不同基準(zhǔn)電壓的器件或系統(tǒng)的所有線路進(jìn)行隔離，這一點(diǎn)至關(guān)緊要?？刹捎霉怦詈掀骰螂娙菪愿綦x IC 來實(shí)現(xiàn)這種隔離。

使用低功率組件的能耗測量系統(tǒng)可采用簡單的電容式電源供電。然而，電容式電源不能提供用于驅(qū)動 RF 收發(fā)器的足夠電流。采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技術(shù)傳送能耗數(shù)據(jù)的輔助計量表將需要一個額外的 NPN 輸出緩沖器或變壓器以及開關(guān)式電源，用于為 RF 收發(fā)器供電。

校準(zhǔn)

由于組件和傳感器容差的緣故，計量表之間可能存在能耗測量值的差異。公用事業(yè)公司提供的電表有著嚴(yán)格的精度要求，而且在每個電表上都必須對由于組件容差造成的誤差加以校準(zhǔn)。然而，諸如智能插頭和電器電度表等輔助計量表的精度要求往往比較寬松，因?yàn)樗鼈兊臏y量結(jié)果并不用于收費(fèi)目的。設(shè)計的校準(zhǔn)常數(shù)可在開發(fā)期間確定并寫入 MCU 閃存之中，因而不必在生產(chǎn)過程中逐個單元進(jìn)行校準(zhǔn)。預(yù)計采用這種方法可實(shí)現(xiàn) <3% 的準(zhǔn)確度。該準(zhǔn)確度在許多輔助計量表應(yīng)用中均可滿足要求，而且校準(zhǔn)的免除還能在生產(chǎn)中節(jié)省大量的成本。

MSP430AFE2xx 能耗測量 IC

MSP430AFE2xx 能耗測量 IC 在單個封裝中集成了多個 24 位 Σ-Δ ADC、可編程增益放大器和一個 16 位 MCU。該器件配套提供了用于執(zhí)行能耗測量計算任務(wù)的 TI MSP430™ MCU Energy Library4 軟件。

圖 5：面向能耗測量應(yīng)用的 MSP430AFE2xx 的特性

當(dāng)把 MSP430AFE2xx 能耗測量 IC 應(yīng)用于輔助計量表時，開發(fā)人員將會體驗(yàn)到以下的主要特性與優(yōu)勢：

高集成度

MSP430AFE2xx 集成了多種能耗測量所需的組件，包括 ADC 和 MCU。這使得低成本和小占板面積輔助計量表設(shè)計能夠采用極少的組件。除了能耗測量之外，MSP430AFE2xx 還可根據(jù)需要用于運(yùn)行其他的小應(yīng)用程序。

多個 24 位 Σ-Δ ADC

內(nèi)置的三個 ADC 皆可支持 ±500 mV 的差分輸入電壓，因此來自電流傳感器的輸出無需電平移位即可直接饋送至 ADC。另外，ADC 輸入還支持高達(dá) -1 V 的負(fù)輸入電壓，所以同樣允許來自 AC 饋電線的分壓電壓信號直接連接至 ADC，而不必進(jìn)行額外的電平移位。

MSP430AFE2xx 提供了多達(dá) 3 個具有 24 位分辨率的 Σ-Δ ADC。這些 ADC 能在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)提供公用事業(yè)級 (< 0.1%) 的準(zhǔn)確度。ADC 的同時采樣特性消除了電流和電壓樣本之間的固有延遲，并且不再需要進(jìn)行軟件校正，這在順序采樣法中是一反常規(guī)的。

低功耗

MSP430AFE2xx 能耗測量 IC 具有低功耗特性，這一點(diǎn)對于擁有依靠低成本電容式電源給器件供電的能力十分重要。

軟件可編程性

TI 提供的 MSP430™ MCU 能源庫 (Energy Library) 和代碼范例有助輕松快捷地實(shí)現(xiàn)基于 MSP430AFE2xx 的能耗測量計算。

諸如 MSP430AFE2xx 等軟件可編程解決方案的一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢是其為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了根據(jù)特定的應(yīng)用要求對解決方案做適應(yīng)性調(diào)整的靈活性。例如：系統(tǒng)設(shè)計人員可執(zhí)行一種非標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，以將能耗數(shù)據(jù)發(fā)送到主處理器或遠(yuǎn)程終端。軟件可編程能耗測量 IC 的另一項(xiàng)優(yōu)勢是可在生產(chǎn)過程免除校準(zhǔn)工作。

串行通信接口和 GPIO

MSP430AFE2xx 允許通過標(biāo)準(zhǔn)的串行接口(如 SPI 或 UART)傳送能耗數(shù)據(jù)。其另外的 GPIO 可用實(shí)現(xiàn) LCD 接口、LED 脈沖發(fā)生或者與諸如按鍵等輸入相連接。

總結(jié)

要在智能插頭、電器設(shè)備和服務(wù)器中廣泛推廣使用能耗測量，可完成能耗測量的低成本組件起著重要的作用。MSP430AFE2xx 能耗測量 IC 將能耗測量所需的主要組件集成在了單個封裝之中。這些組件包括可編程增益放大器、ADC、MCU 以及負(fù)責(zé)與其他器件進(jìn)行通信的串行接口。MSP430AFE2xx 只需區(qū)區(qū)幾個無源組件便可與諸如分路電阻器和分壓器等低成本傳感器相連。MSP430 系列微控制器的低功耗性能允許采用低成本的電容式電源為 MSP430AFE2xx 供電。由于這款解決方案可采用軟件進(jìn)行編程，因此提供了執(zhí)行非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的靈活性。最后，一旦在開發(fā)過程中完成了校準(zhǔn)，則可在生產(chǎn)期間將相同的校準(zhǔn)常數(shù)寫入每個 MSP430AFE2xx 單元，以輕松實(shí)現(xiàn) 3% 或更好的準(zhǔn)確度。由于在生產(chǎn)過程中免除了校準(zhǔn)，故而有望顯著降低生產(chǎn)成本。