寬量程電能計量技術及其應用

摘要：本文著重介紹基于霍爾效應電能計量集成芯片的寬量程電能計量技術原理、性能、特點及其在小型工商業電能表設計中的應用。

關鍵詞：霍爾效應測量技術 寬量程 防竊電 小型工商業三相電能表

目前，國際上常見的三相電能表的計量部分的設計方法主要可以歸納為三種：

（1）采用單個或三個通用計量芯片，如ADI、SAMES，TDK、Cirrus、ATMEL等公司的計量器件。是目前中低端電能表比較常用的計量核心，

（2）采用4/6路同步采樣12位或16位ADC與RISC技術的MCU或DSP配套的軟件實時處理計量技術。如采用AD73360AR，AD7874等模數轉換器件與PIC17/18或AVR系列RISC指令單片機等組成的測量系統，這在多功能表部分的應用比較普及，而更復雜的基于DSP數字信號處理器（如TI的TMS320系列與ADI的ADSP219x等）的電能表主要應用于高精度關口計量。

（3）采用電能表生產商獨立開發的ASIC專用計量芯片。如蘭吉爾開發的寬量程計量芯片（以下簡稱MESA）。

采用通用計量芯片的電能表由于受器件自身的功能限制，通常在無功電能計量、諧波電能分析與計量、電能質量監測等方面的功能比較弱，但由于這類器件在有功電能計量方面具有技術成熟、運行穩定、二次開發容易等特點，在中低端的0.5S、1.0、2.0級產品中獲得了廣泛應用。

　　采用模數轉換與微處理器技術的電能表，由于軟件功能靈活性大，是多功能電表的主流技術，其中采用DSP(Digital Signal Processor)數字信號處理器的電表，由于對電測量信號的處理速度快（可達到1億次/秒以上），內存容量大，可以得到更多的實時電能參數（如瞬時電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數、諧波分量）等。但是，由于不同廠商研發能力的差異，往往不容易驗證其內部各種算法的合理性、可靠性、適應性等。特別是對整數次諧波分量和非整數次諧波分量的處理方法，無功電能處理的方法，以及包括次諧波在內的諧波影響的處理方法方面，目前還沒有統一的標準來規范。此外，采用這種技術的電表，其功耗、起動時間等也比其他技術的表略大一些。

　　近年來，蘭吉爾開發的新一代寬量程計量專用ASIC混合測量器件MESA就是一種非常成熟的電能計量器件，它將先進的計量方法與集成電路設計技術完美地結合起來，用它設計的小型工商業電能表具有12~25倍的寬量程。

1 寬量程計量技術基礎

　　將通有電流 I 的金屬板（或半導體板）置于磁感強度為 B 的均勻磁場中，磁場的方向和電流方向垂直（如圖1，略，詳見《電工儀表與公用表計》行業信息第3期），電子在均勻磁場B中受洛倫茲力的作用而發生偏轉，在上下兩側表面分別聚積正、負電荷，形成電勢差 ，該現象稱為霍爾效應^[1]。

　　經實驗測定，霍爾電勢差的大小和電流 I 及磁感強度B成正比，而與板的厚度d 成反比。霍爾電勢差可U_H定量地表示為：

U_H = R_H I B/d （1）

式中：R_H稱為材料性質有關的霍爾系數，其值為。這里n、q分別為載流子數密度和載流子的電荷量。
　在金屬導體中，自由電子的濃度大，故金屬導體的霍爾系數很小，相應的霍爾電勢差也就很弱，即霍爾效應不明顯。
在半導體中，載流子濃度很低，故半導體的霍爾系數比金屬導體大得多，即半導體能產生很強的霍爾效應。

根據霍爾效應的特點，讓恒流源I通過均勻厚度的半導體PN結，將待測量的電信號i（如相電流信號Ia、Ib、/Ic）轉化為磁場強度信號B，通過測量U_H的電位值，可以建立起下列線性關系：

U_H = k_H · i （2）

其中：k_H為材料性質有關的系數，i為被測量的電參數信號（如相電流信號Ia、Ib、Ic）。與采用電流互感器（CT）的常規測量相比，霍爾效應電流傳感器具有以下顯著優點：

（1）測量電流范圍大，動態范圍寬，且大電流不會使傳感器飽和；

（2）輸出線性度高，精度高，帶寬高(DC～5MHz)，可測直流分量；

（3）高測量增益，使器件誤差對產品性能影響很小；

（4）輸入阻抗大，電流回路損耗低；

（5）輸入輸出信號之間的角差小。

在實際應用中，影響半導體霍爾效應器件的精確度的主要因素有：

（1）雜散磁場的影響；

（2）材料的幾何尺寸（如厚度）的均勻性；

（3）材料的物理性質（如半導體內雜質分布）的均勻性；

（4）溫度漂移；

（5）時間漂移。

　　盡管人們早在1879年就知道了霍爾效應，但直到20世紀60年代末期，隨著固態電子技術的發展，霍爾效應才開始被人們所應用。

　　由于霍爾器件一般由半導體制作，而半導體的加工制作工藝復雜，不容易做到幾何尺寸的均勻性和材料性質的一致性，加上半導體本身的溫度漂移和時間漂移等特性一直難以有效地補償，所以直到上個世紀末，霍爾效應還不太適宜用于定量測量磁場強度的大小，當然也更難用于電流或功率信號的精密測量。但霍爾器件在定性測量方面，特別是用于非接觸式位移測量的霍爾接近開關，在航空航天、汽車、數控機床、手機等行業獲得了極為廣泛的應用。

CMOS技術的快速發展，使制造具有成本低、質量好、性能可靠、體積小等多種優點的實用型高精度霍爾傳感器（如磁場強度傳感器、電流傳感器、位移傳感器、速度傳感器等）成為可能。

　　瑞士蘭吉爾公司開發的專用集成電路MESA就是一款基于霍爾效應測量原理的實用化的電能計量芯片。它將先進的電能測量算法和霍爾傳感器完美地結合成ASIC器件。

　　如圖2（略，詳見《電工儀表與公用表計》行業信息第3期）所示，MESA的內部分成三個功能塊：測量單元、數字信號處理（DSP）單元和接口電路。
1.2.1測量單元

測量單元內集成了霍爾傳感器、信號調理器、Σ-Δ原理的16位ADC、三階SINC濾波器、偏置補償電路、基準電壓源、可編程電流/電壓延遲電路、直流分流消除電路等功能：

（1） 傳感器及前段處理電路包含霍爾傳感器、信號調理器和恒流源電路，它除了集成的霍爾效應電路以外，既可以接收普通電流互感器信號，也能接收錳銅分流器信號。對于非霍爾效應方式的傳感器信號，從SH+和SH-兩個腳上輸入。

（2） ∑/∆ 模數轉換器 片上集成了二階Σ-ΔADC模塊，進行采樣。

（3） 可變程電壓/電流信號延時電路 用于補償電流互感器、電壓互感器、外接分流器等導致的信號角差。

（4） 偏置補償電路 該電路用于系統偏置（一般由運算放大器、傳感器等模擬電路引起），不能消除直流分量，以便測量直流電流分量的需要。

（5） 三階SINC濾波器 用于將高過采樣速率的Σ-ΔADC結果降低到需要的采樣速率。

（6） DC分量消除電路 它屬于傳輸速度比較低的一階高通濾波器，用于將電壓和電流回路中剩余的直流分量剔除掉，這樣一來，可以進一步將系統偏置和角差降低到極低程度。

1.1.2數字信號處理（DSP）單元

　　數字信號處理（DSP）單元集成了數字乘法器、均方根運算、電能積算單元、延時濾波（Hilbert）等功能，用于實現電流、電壓、有功電能、無功電能、功率因數、頻率、相角等電能參數的實時處理。

（1） 電能計算用硬件乘法累加器 為16位×16位硬件乘法器和一個能夠連續累積最大功率P_max時的乘積至少250ms的累加器，有可供檢測的溢出信號。正是由于內部寬大的數據乘法累加器，使寬量程計量才有可能。

（2） V_RMS/I_RMS計算用硬件乘法器 為低速乘法計算器，用于計算電壓、電流的有效值。其計算速度與器件的輸入時鐘CLK有關。例如，在CLK=500kHz時，輸出速度為270Hz。

（3） 精度校正 用于標定測量結果，保證測量值與實際值對應。

1.2.3接口電路

　　接口電路包括工作電源、電源監測與上電復位、SPI接口等部分。

（1）片內集成霍爾效應電流傳感器；

（2）支持外部分流器型或電流互感器（CT）型信號輸入；

（3）片內集成霍爾常數溫度補償電路；

（4）片內集成電壓基準；

（5）低噪聲前置放大器；

（6）偏置消除電路；

（7）基于過采樣原理和奈奎斯特定律的高速Σ-Δ ADC模塊；

（8）片內集成硬件乘法器和特寬位數的累加器；

（9）復位與電流失效監測；

（10）SPI串行通訊接口，方便與微處理器相連；

（11）單電源（+5V）電源供電；

（12）工作溫度范圍寬（-25℃~55℃）。

　　MESA采用的是二階∑-∆ 模數轉換器。與其相關的下述幾個采樣率定義對于分析芯片的頻率響應特性有幫助：

輸入采樣率：A/D轉換器輸入端的采樣率（比實際需要的采樣率高得多），由∑-∆ 模數轉換器的特性決定，它等于MESA的輸入時鐘頻率f_CLK（也可以編程設置為1/4 f_CLK）。

數據采樣率：即A/D轉換器輸出端的數據速率。根據耐奎斯特定律，這一采樣率決定了待測量信號的最高頻率。

過采樣比率：即輸入采樣率和數據采樣率的比值。在MESA中，這個比值固定為128，由此可以確定A/D轉換后“真實”的數據有效位。過采樣率不可編程設置。

參數輸出采樣率： 等于“數據采樣率”，即MESA的時鐘頻率f_CLK /128。當f_CLK ＝512kHz時，其值為4kHz。

頻率響應：系統的頻率響應是由A/D轉換器和其后3階濾波器的傳遞函數所決定。