本文介紹了如何將電能測量IC與電流傳感器配合使用，為智能電網實施中的單相和三相設計提供診斷和故障檢測，隔離和恢復。

智能電表中使用的傳感器并不是特別具有挑戰性。檢測電壓和電流可以像線圈一樣簡單，但是從這些傳感器提供有用的，復雜的數據是一項挑戰?，F代智能電表需要大量數據才能反饋到公用事業網絡，無論是本地聚合器還是中央辦公室。

智能電表需要能夠在工業單相和多相電表中以最高精度確定有功電能（kWh），視在電能（kVA），無功電能（kVAR），RMS和電能質量儀器和能源監測應用。所有這些都需要多個通道來捕獲數據，這在過去導致了大型昂貴的計量系統。

通過集成傳感器接口和處理，有效地捕獲和處理儀表內的傳感器數據是開發此類系統的當前挑戰。

多通道電流捕獲

ADI公司的ADE7816是一款高精度，多通道計量器件，能夠測量一個電壓通道和多達六個電流通道。它測量線路電壓和電流，并計算有功和無功能量，以及瞬時RMS電壓和電流。該器件集成了七個sigma-delta（Σ-Δ）ADC和一個高精度能量測量內核。六個電流輸入通道允許同時測量多個負載，以捕獲來自一系列傳感器的不同測量值，并在負載點的任何時間點同時確定有功，視在和無功電能。然后可以將該數據反饋到公用事業網絡以優化功率輸送并創建安全且有效的反饋回路。

圖1：ADE7816計量傳感器接口將電壓通道與六個電流通道組合在一起。

電壓通道和六個電流通道均具有完整的信號路徑，可進行全范圍的測量。每個輸入通道都支持靈活的增益級，適用于電流互感器（CT），六個片上數字積分器允許使用Rogowski線圈傳感器。這允許每個通道用于線圈或CT，具體取決于系統和相位要求。

Rogowski線圈

Rogowski線圈是一種低成本傳感器，它使用圍繞空芯的螺旋線圈來測量交流電流或快速電流脈沖。線圈一端的引線通過中心返回，使兩個端子位于線圈的同一端。然后將線圈纏繞在直導體上以測量電流。由于感應電壓與直線導體中的電流變化率成比例，因此輸出連接到ADE7816中的積分器，以提供與電流成比例的輸出。

每個模擬輸入引腳都需要將一個簡單的RC濾波器連接到輸入端，以防止頻率分量（高于ADC采樣速率的一半）的混疊折疊并以頻率出現在采樣信號中低于采樣率的一半。這是所有采樣系統和傳統電流傳感器（如電流互感器）的人為因素。應使用一個轉折頻率為5 kHz的RC濾波器，使衰減在1.024 MHz的采樣頻率下足夠高。這種濾波器每十倍衰減20 dB通常足以消除混疊的影響。但是，di/dt傳感器，如Rogowski線圈，每十倍增益為20 dB。這可以抵消低通濾波器（LPF）產生的每十倍頻20 dB的衰減。因此，當使用di/dt傳感器時，需要第二個極。一種簡單的方法是級聯一個額外的RC濾波器，從而產生每十倍衰減-40 dB。

圖2：使用ADE7816對Rogowski線圈進行抗鋸齒處理。

ADE7816通過片上儀表寄存器提供更高級別的集成，可通過SPI或I2C接口訪問。專用的高速接口，即高速數據捕獲（HSDC）端口，可與I2C配合使用，以提供對實時ADC輸出信息的訪問。通過兩個外部中斷引腳可訪問全范圍的電源質量信息，如過流，過壓，峰值和下陷檢測，IRQ0和IRQ1中斷線可通過有功電能信號路徑訪問（圖3）。

圖3：ADE7816中的有功電能信號路徑。

電源和設置

在功率計等高壓環境中，為設備供電是至關重要的考慮因素。要為ADE7816供電，應在VDD引腳與AGND和DGND引腳之間提供3.3 VDC輸入電壓。此外，PULL_HIGH和PULL_LOW引腳必須分別連接到3.3 V和AGND。此配置如圖4所示。

圖4：為ADE7816供電。

ADE7816內置一個片內電源監控器，用于監控電源（VDD）。當施加到VDD引腳的電壓低于2 V±10％時，芯片處于無效狀態。 VDD超過2 V±10％閾值后，電源監控器將ADE7816保持在無效狀態另外26 ms。此時間延遲允許VDD達到3.3 V - 10％的最小額定工作電壓。當滿足最小指定工作電壓且PULL_HIGH和PULL_LOW引腳分別連接到VDD和AGND時，內部電路使能。該過程在大約40毫秒內完成。

當啟動序列完成且ADE7816準備好接收來自微控制器的通信時，RSTDONE標志位在STATUS1寄存器（地址0xE503）中。 IRQ1引腳觸發外部中斷。 RSTDONE中斷默認啟用，不能禁用。這意味著外部中斷始終在上電過程或硬件或軟件復位結束時發生。

微控制器應使用RSTDONE中斷來控制與ADE7816的第一次通信。如果未使用中斷，則可以使用超時。但是，由于啟動順序可能因部件和溫度而異，因此建議超時至少為100 ms。 RSTDONE中斷提供了監視ADE7816啟動序列完成的最節省時間的方法。

AVDD和DVDD輸出引腳提供對片上模擬和數字LDO的訪問。當ADE7816完全上電時，這些引腳為2.5 V.如果使用內部基準電壓，則REFIN/OUT引腳輸出1.2 V.

啟動序列完成后，所有寄存器均為默認值值，I2C端口是有效串行端口，可以啟動與ADE7816的通信。對于能量和RMS計算，必須在所有配置寄存器設置為所需值后對內部DSP上電。通過將運行寄存器（地址0xE228）設置為0x0001來啟動DSP。

參考電路

REFIN/OUT引腳的標稱參考電壓為1.2 V±0.075％。 REFIN/OUT引腳可通過外部1.2 V基準電壓源過驅動。如果CONFIG2寄存器（地址0xEC01）的位0（EXTREFEN）被清除為0（默認值），則ADE7816使用內部參考電壓。如果位0設置為1，則使用外部參考電壓。

ADE7816內部基準電壓隨溫度略有漂移;有關溫度系數規格，請參閱“規格”部分（單位為ppm/°C）。溫度漂移的值因部件而異。由于參考電壓用于所有ADC，因此參考電壓的任何漂移都會導致電表精度偏差的兩倍。

硬件復位

要啟動ADE7816的硬件復位，必須將引腳拉低至少10μs。 RESET引腳返回高電平后，所有寄存器都恢復為默認值。這通過觸發ADE7816 IRQ1中斷引腳為低電平并將STATUS1寄存器中的位15（RSTDONE）設置為1來指示轉換周期結束。該位在轉換期間設置為0，轉換結束時更改為1。

軟件復位功能

軟件復位由CONFIG寄存器（地址0xE618）的第7位（SWRST）管理。如果位7設置為1，則ADE7816進入軟件復位狀態，并且所有內部寄存器都設置為其默認值，但CONFIG2寄存器除外，該寄存器保留其現有值。此外，如果先前執行了鎖定程序，則選擇使用哪個串行端口（I2C或SPI）保持不變。

當軟件復位結束時，CONFIG寄存器中的位7（SWRST）清0，IRQ1中斷引腳設置為低電平，STATUS1寄存器中的位15（RSTDONE）設置為1. RSTDONE設置為過渡期間為0，過渡期結束時變為1。

建議將所有儀表設計為具有軟件和硬件復位功能。

評估套件

ADE7816評估套件包含一個評估板，用于評估硅片。該板包括ADE7816電能計量IC，相關濾波和隔離，允許施加高壓輸入。它還包括一個微控制器，通過ADE7816的引腳P14和PC的USB端口處理從PC到ADE7816的所有通信。

圖5：ADE7816評估板。

需要外部3.3 VDC電源，從引腳P9為ADE7816評估板供電。這為ADE7816和電路的非隔離側提供電源，包括ADE7816 IC。默認情況下，USB連接提供電路隔離側的電源，包括微控制器。如果使用外部電源，則應在P12上應用此電源。使用外部電源時，跳線JP24必須更改為1，2位置。

電壓通道

電壓通道輸入應用于P6。 ADE7816評估板設計用于直接與線電壓源連接。因此包括電阻分壓器以降低輸入電壓。圖6a顯示了電壓通道輸入的默認配置。

圖6a：典型的電壓通道配置。

可應用于ADE7816 VP引腳的最大信號電平相對于VN為0.5 V峰值。通過修改電阻分壓器網絡R28和R34可以適應任何輸入電平。

電流通道

ADE7816包括六個單端電流通道，可與電流互感器（CT）或Rogowski線圈連接。將電流通道A的傳感器輸出應用于P1。與電壓通道類似，所有電流輸入的最大輸入峰值為0.5 V.圖6b顯示了使用CT時電流通道A的典型配置。

圖6b。典型的電流通道A配置CT。

如果使用Rogowski線圈，則不需要負載電阻。建議使用第二級抗混疊濾波器，并通過JP3A啟用。由于Rogowski線圈輸出的差分特性抵消了單極濾波器，因此需要第二級來實現合適的衰減水平，如圖6c所示。

圖6c：具有Rogowski線圈的典型電流通道A配置。

電流通道B至電流通道F以類似方式配置。然而，由于電流通道D，電流通道E和電流通道F共享公共中性線，因此對于所有三個通道，中性線上僅存在單個抗混疊濾波器。

三相電表

對于電流供應鏈中的三相電表，ADE78xx系列提供高精度，三相電能測量，帶串行接口和三個靈活的脈沖輸出。這些器件集成了二階Σ-Δ（Σ-Δ）模數轉換器（ADC），數字積分器，參考電路以及執行總（基波和諧波）有源，無功（所需）的所有信號處理（ ADE7878，ADE7868和ADE7858），視在電能測量和RMS計算，以及僅基波有功和無功電能測量（ADE7878）和RMS計算。固定功能數字信號處理器（DSP）執行該信號處理。 DSP程序存儲在內部ROM存儲器中。

ADE7854/ADE7858/ADE7868/ADE7878適用于測量各種三相配置中的有功，無功和視在功率，如三線和四線的Y形或三角形服務。 ADE78xx器件通過RMS偏移校正，相位校準和增益校準為每相提供系統校準功能。 CF1，CF2和CF3邏輯輸出提供多種功率信息選擇：總有功功率，無功功率和視在功率，或當前RMS值之和，以及基波有功功率和無功功率。

圖7：ADE7878多相電表接口。

該系列的所有成員都包含波形采樣寄存器，允許訪問所有ADC輸出。這些器件還包含電源質量測量，例如短時低壓或高壓檢測，短時高電流變化，線電壓周期測量以及相電壓和電流之間的角度。專用的高速接口，即高速數據采集（HSDC）端口，可與I2C配合使用，以提供對ADC輸出和實時功率信息的訪問。當ADE7868/ADE7878處于篡改狀態時，還有三種專門設計的低功耗模式可確保能量累積的連續性。

零件號WATT VAR IRMS，VRMS，

和VA di/dt基本WATT

和VAR篡改檢測和

低功耗模式ADE7878是是是是是是ADE7868是是是是否是ADE7858是是是是否否ADE7854是否是是否否

結論

電流傳感器相對簡單，但為智能電表生成正確的數據需要多個捕獲和集成通道以及數字信號處理。對于單相和多相系統，有幾種高度集成的設備可用于確定這種儀表的關鍵參數，從有功能量，視在能量和無功能量到RMS和電能質量。單相和多相設計的評估板有助于為開發此類系統提供最佳設計環境。結果