介紹了用美國Analog Devices Inc.(簡稱ADI)公司生產的AD7755設計的一種低成本、高精度電能表。本電能表是為單相、兩線制系統設計的，但也容易適合特殊地區的設計要求，例如美國的配電系統通常要求居民電表采用單相、三線制系統。采用AD7755設計電子式電能表是一種電能測量的低成本單片解決方案。設計目的按照1級和2級交流有功功率電能表國際標準IEC1036(1996-09)，作為本設計的主要依據。
　　為滿足多種情況下的精度要求，例如功率因數(PF)等于1時的精度要求和PF較低(PF＝±05)時的精度要求，設計技術指標應該遠遠高過基本技術指標。另外電能表的動態范圍也超過500。IEC1036標準規定在5%Ib～Imax電流范圍內達到規定的精度要求。圖1示出了用AD7755設計的一種簡單、低成本電能表工作原理圖。為了給AD7755提供必要的電流電壓轉換，本設計采用分流器，并且為衰減線電壓采用了簡單的分壓網絡。電能記錄器(kWh)是一種用兩相步進電機構成的簡單機電式計度器。AD7755的F1，F2腳能夠直接驅動這種計度器，CF腳還可提供儀表常數為3200imp/kWh(脈沖數/千瓦小時)的高頻輸出，所以這種高頻輸出可用LED和光電耦合器輸出。這種高頻輸出還可加快電表的校驗過程，從而為生產電表提供一種快捷的校驗方法。本設計利用電阻網絡R5～R14改變線電壓的衰減來校驗電表。

1 設計原理
　　AD7755產生的輸出頻率與兩個輸入電壓信號乘積的時間平均值成正比。加在AD7755上的輸入電壓值為V1和V2。圖1示出的電表工作條件，線電壓為220V，最大電流(Imax)為40A。然而，只要正確標定通道1和通道2的輸入信號，就能設計出工作于任何線電壓和最大電流的電能表。AD7755有4種頻率選擇方式適合這類電表(即直接驅動計度器)，Imax高達120A。當這類表的Ib選為5A時，規定精度的電流范圍為2%Ib～Imax，或動態范圍為400(即100mA～40A)。機電式計度器的電表常數為100imp/kWh，即要記錄1 kWh的電能要求AD7755發出100個脈沖。IEC1036標準4.2.11節規定機電式記錄器從最低位起按十進制計數，每位都是逢十進一。因此計度器采用5位整數1位小數顯示方式，即最高位的1對應10，000，較低位依次對應1，000，100，10，1，最低位對應1/10。供校驗和測試用的儀表常數選作3200imp/kWh。
2 AD7755基準源電路
　　圖1中還示出了一個供選擇的基準源電路。AD7755片內基準源電路的溫度系數典型值為30ppm/℃，但A級AD7755的溫度系數沒有這么低，而高達80ppm/℃。在－20℃或＋60℃情況下，由于80ppm/℃的溫度系數使AD7755相對25℃標準值產生的誤差要高達＋0.65%。
3 分流器的選擇
　　為了使通道V1(電流通道)的動態范圍最大，分流器選為350μΩ。在為電表選擇分流器時，有幾個重要問題應該考慮。第一，要使分流器的功耗最低。由于本設計方案的最大額定電流為40A，所以分流器的最大功耗為(40A)2×350μΩ＝560mW。IEC1036標準要求最大功耗為2W(包括電源功耗)。第二，如果功耗很高會給芯片散熱帶來困難。雖然分流器是采用低溫度系數的錳銅合金材料制成的，但是在高溫情況下對重負載仍會產生明顯的誤差。第三，應該考慮電表對相電壓短路造成損害具有的防護能力。由于分流器的阻值非常小，所以外部短路對分流器的影響也非常小。因此分流器總是應該做得盡量小，但這樣必然抵消通道V1(0～20mVrms，G＝16)的信號范圍。如果分流器做得太小，在輕負載情況下又不能符合IEC1036標準精度的要求。因此本設計權衡考慮分流器選為350μΩ。
4 設計值的計算
　　設計參數：
　　線電壓＝220V(標稱值)
　　Imax＝40A、Ib＝5A
　　計度器＝100imp/kWh
　　儀表常數＝3200imp/kWh
　　分流器阻值＝350μΩ
　　100imp/h＝100/3600s＝0.027777Hz
　　在Ib＝5A條件下校表
　　Ib條件下功耗＝220V×5A＝1.1kW
　　Ib條件下F1(和F2)頻率＝1.1×0.027777Hz＝0.0305555Hz
　　Ib條件下分流器(V1)兩端電壓＝5A×350μΩ＝1.75mV
　　根據AD7755活頁資料的公式(1)計算為：
　　0.030555Hz＝(8.06×1.75mV×V2×16×3.4Hz)/2.52
　　V2＝248.9mVrms
　　因此為了校驗這塊電表需要將線電壓衰減到248.9mV。
5 校驗電表
　　從前一節可知通過將線電壓衰減到248.9mV的方法能對這塊電表做簡單校驗。線電壓衰減是通過簡單電阻分壓器實現的。為了準許分流器的容差和片內基準源±8%的誤差(見AD7755活頁資料)，該衰減網絡應該允許至少有±30%的校驗范圍。此外，這種衰減網絡布局的特點是，既使當衰減程度改變時，通道1與通道2之間仍能保持相位匹配。
　　兩個通道間恰當相位匹配AD7755在40Hz～1kHz頻率范圍內，內部相位匹配。在電能計量應用中恰當的相位匹配是非常重要的，因為在低功率因數情況下兩個通道之間的任何相位失配都會帶來明顯的測量誤差。
　　如果相對AD7755外部產生一個相位誤差(e)，例如抗混疊濾波器，由此引起的測量誤差按下式計算：
　　[cos(δ°)－cos(δ°＋e)]/cos(δ°)×100%
　　其中δ為電壓和電流之間的相角，e為外部相位誤差。對于0 2°的外部相位誤差，例如當PF＝0.5(60°)時，計算測量誤差為0.6%。這個例子表明，在低功率因數情況下即使很小的相位誤差都會造成一個很大的測量誤差。
6 抗混疊濾波器
　　如前所述，有一種外部相位誤差源可能來自通道1和通道2的抗混疊濾波器。抗混疊濾波是一種低通濾波器，它放置在ADC的模擬輸入之前。為了防止由于采樣可能引起的失真(稱作混疊)必須采用抗混疊濾波器。使用一種非常簡單的低通濾波器(LPF)衰減掉那些無用的高頻(900kHz附近)分量，從而可防止有用頻帶內的失真。最簡單的LPF是RC濾波器，它是一種單極點濾波器，以－20dB/十倍頻程衰減。
　　正如上一節所述，如果通道1和通道2的相頻響應不匹配，會產生明顯的誤差。由于LPF的元件容差大很容易產生相位失配。LPF(抗混疊濾波器)的－3dB頻率越低，在基頻或電源頻率附近引起的相位誤差越明顯。本設計為了減小由于相位失配造成的測量誤差，抗混疊濾波器選取容差為1%的電阻器和容差為10%的電容器。這樣抗混疊濾波器的轉折頻率擴展到10kHz－15Hz。但是轉折頻率不能太高，因為這樣要允許足夠高的混疊頻率成份，從而在噪聲環境下對精度有影響。
　　在低頻情況下，對分流器寄生電感的補償通常將分流器看作純阻性元件，而不是電抗元件。但是當實際的數據采集系統使用分流器時在某些情況下，即使很小的寄生電感也會產生不合需要的影響。當分流器的阻值非常低時(200μΩ數量級)，這個問題非常明顯。圖2示出了AD7755設計方案中采用的分流器的一種等效電路。分流器有三條接線。其中兩條接線提供電流檢測輸入(V1P和V1N)，第三條按線接系統地參考點。
　　通過對AD7755設計方案采用的分流器等效電路分析結果，指出了分流器的寄生電感對抗混疊網絡的影響，主要因素是由于這種抗混疊網絡增加一個零點所致。取消該網絡附加零點(Zero)作用的一種方法是在同一位置(或靠近)增加一個附加極點(Pole)。

7 電源設計
　　本設計采用由電容器分壓網絡(即C17和C18)構成的簡單低成本電源。大部分線電壓都降落在電容器C17兩端，它是一種560nF耐壓250V的金屬聚酯薄膜電容器。C17的阻抗決定電源的VA額定有效值。但C17的尺寸必須符合IEC1039標準的功耗指標的要求。包括電源在內的全部電壓電路的總功耗應符合IEC1039(1996-9)標準4.4.1.1節的規定。在標稱條件下，每相電壓的總功耗是2W和10VA。本設計電源的標稱VA額定值是7VA。總功耗大約為0.98W。在40A負載條件下包括分流器的功耗在內，電表的總功耗為1.54W。
8 抗電磁干擾設計
　　IEC1036標準的4.5節指出“電表設計應當遵循的原則是防止傳導、輻射和靜電放電三種形式的電磁干擾不損壞或實質性影響電表”。設計時應考慮如下三種干擾源：
　　(1)靜電放電(ESD)
　　(2)高頻電磁場
　　(3)快速瞬變脈沖群(EFT)
9 靜電放電(ESD)
　　雖然許多對ESD敏感的電子元器件芯片內部都含有一些保護措施，但是對于下面介紹的那種劇烈放電則沒有保護作用。另一方面，ESD作用是累積的，即一個器件可能經受住一次ESD作用，但不能保證在今后某一段時期能經受住多次ESD作用。最好的方法是，在ESD與敏感電子器件接觸之前就消除或衰減ESD的作用。為了保護器件不必接入過多的外部元件，而應盡量讓電路中已經接入的元件起到雙重作用。例如在與外部有接觸的那些點(如與分流器連接的點)必須防護ESD的作用。
　　RC濾波器對防止ESD損壞CMOS器件也有足夠的保護作用，但是必須注意使用合適類型的元器件，例如電阻器不應選用線繞電阻器，因為在電阻兩端會傳導釋放電荷。為了阻止電荷放電在電阻器兩端傳導，電阻器的體積應該大。在本設計中的抗混疊濾波器選用1/2W SMD 2010電阻器，還用兩個鐵氧體與分流器串聯。鐵氧體的阻塞作用對于減緩ESD電流脈沖快速上升時間特別有效。這種高頻瞬時能量被鐵氧體吸收后不再傳送或反射給系統中的其它器件。另一個很常見的低成本方法是在PCB板的元件面制作火花隙(spark gap)來捕獲ESD作用。但是，電表在一個開放環境下正常工作時要遭受多次ESD作用，所以在類似分流器的敏感連接點處不推薦采用這種方法。因為多次放電會使火花隙兩端的碳增多，這樣造成的短路或產生的電阻到時會影響電表精度。
　　為防止PSU中大幅度或快速上升時間的放電，在考慮選用金屬氧化物壓敏電阻器(MOV)之后，再采用火花隙。
10 高頻電磁場
　　集成電路(IC)對射頻(RF)的敏感度比較明顯趨向在20～200MHz范圍內。高于這個頻段，寄生電容對敏感器件沒有影響。一般對IC來說，20～200MHz頻段的RF實際上范圍已經很寬了，也就是說沒有比這個頻段更易出麻煩的。但是由于PCB的諧振作用，對某些頻率可能更加敏感。這些諧振頻率在某段頻率范圍內能產生插入增益，進而會對敏感器件造成干擾。到目前為止，最大量的RF信號都是經過電纜進入系統的，所以對這些連接點必須采取防護措施。系統抗高頻干擾的主要措施是：
　　(1)縮小電路帶寬
　　(2)隔離敏感器件
11 縮小電路帶寬
　　本設計需要的模擬帶寬僅2kHz，這對盡量減小RF影響是十分有利的。為了減少RF輻射進入系統，在電纜進入點可接一個低通濾波器。在進入AD7755之前，分流器的輸出端已經濾波。這就是前邊已經介紹的抗混疊作用。選擇好元件并且增加一些必要的元件(例如鐵氧體)能使這種抗混疊濾波器對RF的濾波效果加倍。
　　當頻率很高時(例如＞1MHz)，必須考慮每個集總元器件的寄生電抗。
　　一般使用體積小、引腳短的元器件(例如SMD器件)使其寄生電抗保持最小。因為不知道確切的源阻抗(它取決于電源的源阻抗)，所以一些通用的預防措施是減小潛在的諧振作用。由于源阻抗和濾波器網絡相互作用產生的諧振能產生插入增益，從而在某個頻點(諧振頻率)會增加RF輻射對系統的作用。類似電容器(例如X7R型)這種具有介質損耗的元件(即大電阻元件)和鐵氧體都是這種應用的理想元件。這種元件將RF輻射以熱能形式被損耗而不是將其反射或傳輸給系統的其它元器件。鐵氧體Z3和Z4在這方面具有優良的性能。
　　如前所述，由于鐵氧體阻抗隨頻率增加而增加，所以它僅對高頻RF有衰減作用。
12 隔離敏感器件
　　隔離分流器只能使AD7755(經過抗混疊濾波器)直接與“外部”連接。另一方面，為了提供電源和電壓通道(V2)，該系統還要接到相線和中性線。鐵氧體(Z1)和電源濾波電容器(C16)應該對電源的RF輻射有明顯的衰減作用。產生RF另外一個可能的途經是系統的信號地。為了使AD7755周圍的信號地與外部接地參考點(K4)隔離，通常采用分隔(moating)法，圖3示出了這種方法的原理圖。
　　對系統中的敏感區域要防止RF輻射在I/O連接處進入系統。由于圖中所示的I/O連接的周圍區域沒有任何接地面和電源面，從而限制了RF輻射的傳導路徑，所以稱作“分隔”法。很顯然，電源、地和信號必須跨過這個分隔區才能接通，因此圖3示出了使用一個鐵氧體可以安全地實現這種連接。
13 快速瞬態脈沖群(EFT)
　　EFT測試用來測定系統抵抗傳導瞬態脈沖群的能力。按照IEC1000-4-4標準規定的條件進行測試。對EFT脈沖進行防護非常困難，因為這種干擾經過外部連接進入系統，例如電源線。使該脈沖特性衰減的最主要因素可能不是其幅度(高達4kV)，而是由快速上升時間決定的高頻成份。快速上升時間意味著該脈沖的高頻成份能通過寄生電容等路徑耦合到系統其它部分。PCB的印制線(traces)和信號地的感應作用能產生一個很大的差動信號。
　　類似ESD傳導EFT帶來的另一個問題是，這種輻射作用通常對電子元器件具有累積作用。一個EFT脈沖的能量高達4mJ，它能將40A的電流傳輸給50Ω負載。因此，由于感性負載的切換等原因表現出連續的EFT作用，對元器件的長期可靠性可能帶來隱患。最好的方法是對EFT敏感的系統中的那些元器件采用防護措施。

　　上一節介紹的對高頻電磁場的防護方法也完全適用于EFT。電子線路應盡可能地與通過PCB板的干擾源和濾波信號與電源連接隔離(即“分隔”)。另外在干線兩端接一個10nF電容器(C16)以便為差動的EFT脈沖提供一個低阻抗分流器。由器件引腳和PCB印制線產生的寄生電感表明金屬氧化物壓敏電阻器(MOV)對衰減差動EFT脈沖不是很有效的。MOV對衰減大能量、持續時間相當長的干擾(例如閃電)非常有效。
14 S20K275型MOV
　　本設計使用的MOV是Simens公司的S20K275型MOV。MOV基本上是一種壓敏電阻器，其電阻隨電壓增加而減小。MOV通常與被保護的器件或電路相并聯。在過壓期間形成一個低阻的分流器，因此可以防止被保護電路兩端的電壓進一步上升。這種過壓保護主要是靠降低過壓源的源阻抗，例如干線網絡的源阻抗。
15 EMC測試結果
　　在一個獨立的試驗室對本設計的電磁兼容性(EMC)做了測試。全部測試都是由美國Integrity Design & Test Services Inc.(Littleton、MA 01460、USA)完成的。發射性測試報告的副本可從ADI公司的如下網址得到：
　　http:∥www.analog.com/techsupt/application?鄄notes/ad7755/64567-e1.pdf
　　抗干擾性測試報告的副本可從ADI公司的如下網址得到：
　　http:∥www.analog.com/techsupt/application?鄄notes/ad7755/64567-c1.pdf
　　由于篇幅所限，有關AD7755設計方案的詳細討論，包括四層電路板的布線圖，元器件清單都不能詳細介紹。感興趣的讀者請與北京市英賽爾器件集團及其分公司聯系，或直接訪問英賽爾器件集團的網址：incel.cn、com