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來源：DigiKey 作者： Bill Schweber 有關“能量”和“功率”兩個詞的討論當前依然不絕于耳。這兩個概念不僅在“微觀”層面上與電路或系統(tǒng)使用多少能量密切相關，而且還涉及到一些與交流線路能量和功率相關的考慮因素，主要是在能量使用、節(jié)能和可再生能源方面。下面我們一起了解這兩個術語的真正含義，以及如何有效地對其進行計量。 作為工程專業(yè)的學生，首先要學習的課程之一就是“能量”和“功率”的含義。這兩個術語雖然存在關聯(lián)，卻又是明顯不同，而在非正式的談話和報告中，甚至在工程師之間，它們亦經常互換使用。 按規(guī)范的說法，能量是做功的能力，而功率則是收集或消耗能量的速率。從數學上說，功率是能量的時間導數，而能量是功率的時間積分。 在功率和能量分析中，均方根 (RMS) 電壓和電流值至關重要。從數學上說，時變電壓 f(t) 的 RMS 值的計算方法如下： 
公式 1 其中 T = 波形周期。 請注意，對于基本的無失真正弦波，峰值交流電壓和 RMS 值之間的關系非常簡單：
公式 2 一般情況下，RMS 值的含義是什么呢？通過將在相同負載下的未知交流信號發(fā)熱量與已知直流信號發(fā)熱量進行比較，交流信號的 RMS 值則等同于在該負載下產生相同熱量所需的直流電流量。當負載中的耗散功率相等時，已知直流電壓等于未知交流信號的 RMS 值。 例如，如果對某個阻性加熱元件施加 1 V 交流電 RMS，則產生的熱量等于 1 V 直流電所產生的熱量。事實上，在進入電子時代之前的一些 RMS 直流電表使用的方案中，直流源和未知 RMS 源是讓相同的電阻器發(fā)熱。然后對直流源進行調節(jié)，以便讓電阻器溫度匹配；這樣就可以指示 RMS 值。 幸運的是，通過使用全模擬計算配置，IC 讓確定 RMS 值變得非常簡單（圖 1）。在此電路中，Analog Devices 的 AD628 可編程增益差分放大器（此處配置的衰減系數為 25）縮小了電源線路信號，然后將其施加到 Analog Devices 的 AD8436 RMS 至直流轉換器。
圖 1：這個雙 IC 全模擬電路提供直流輸出，代表交流電源線的 RMS 輸入。（圖片來源：Analog Devices） 該差分放大器具有 ±120 V 的共模輸入和差模范圍，因而非常適合高壓電源線分流。在 RMS OUT 端提供交流波形 RMS 值的精確直流等效值。 當今的交流線路實際情況提出更多要求 雖然全模擬 RMS-DC 方法行之有效，卻僅僅是提供 RMS 值。在當今的電能管理環(huán)境中，除了 RMS 值之外，系統(tǒng)還必須掌握有關單相交流波形的更多信息。 實際上，由于交流電壓并非純凈的正弦波，而是相對于標稱值具有很多偏差，而且還存在失真，因此讓這個問題進一步復雜化。此外，負載很少是純電阻，因而電壓波形和電流波形之間存在相移。總的來說，有一些屬性只能通過更多數字化驅動的數值分析來確定。 鑒于交流線路的當前現狀，Analog Devices 提供的具有自動校準功能的 ADE9153A 電能計量 IC 能夠大展身手（圖 2）。其目標應用包括單相電度表、電能和功率測量、街道照明、智能配電系統(tǒng)、機器運行狀況監(jiān)測等等。通過 ADE9153A 的 10 MHz 高速串行外設接口 (SPI) 端口，可以訪問 ADE9153A 寄存器。該端口的供電電壓為 3.3 V，采用 32 引腳 LFCSP 封裝。
圖 2：具有自動校準功能的 ADE9153A 電能計量 IC 面向單相應用，其內部模擬和數字功能塊可用于詳細的分析。（圖片來源：Analog Devices） ADE9153A 不僅僅是提供交流線路電壓和電流值的基本數字化功能。其先進的計量引擎可以計算與電能/功率相關的重要結果，還可以計算線路電壓和電流、有功電能 (Wh)、基本無功電能 (VARh)、視在電能、電流和電壓 RMS。 此外，ADE9153A 還提供電能質量監(jiān)測，例如過零檢測、線路周期計算、角度測量、驟升和驟降、峰值和過流檢測、功率因數 (PF) 測量。與此同時，該器件還能滿足監(jiān)管機構制定的各種標準，例如有功電能標準（IEC 62053-21；IEC 62053-22；EN50470-3；OIML R46；ANSI C12.20）和無功電能標準（IEC 62053-23 和 IEC 62053-24）。 性能源自傳感器通道 在使用任何先進電能計量器件的情況下，所達到的實際性能在很大程度上取決于有效可靠的傳感器通道。ADE9153A 通過兩種方法解決這些問題：電流和電壓傳感器的適當物理連接、獨特的校準機制。 ADE9153A 有兩個電流通道。通道 A 是一個優(yōu)化的復雜數據路徑，適合分流器使用。圖 3 顯示了簡化和詳細版本。
圖 3：所示為簡化的應用電路，分流器電流傳感器位于電流通道 A（上）；還有詳細的電流通道 A 數據路徑（下）。（圖片來源：Analog Devices） 通道 B 可用于電流互感器，圖 4 顯示了簡化和詳細版本。請注意，電流通道 B 中包括一個數字積分器，可用于連接 di/dt 電流傳感器（例如羅氏線圈）。
圖 4：所示為應用電路，在電流通道 B 上電流互感器用作電流傳感器（上）；還有詳細的電流通道 B 數據路徑（下）。（圖片來源：Analog Devices） 同樣，ADE9153A 具有自帶數據路徑的單個電壓通道。圖 5 顯示了簡化和詳細版本。
圖 5：所示為簡化的應用電路，通過電阻分壓器來感應電壓（上）；還有電壓通道數據路徑的更詳細原理圖（下）。（圖片來源：Analog Devices） 為了應對通道校準的長期挑戰(zhàn)，ADE9153A 提供了 mSure 自動校準功能，可以顯著減少校準時間和工作量，并降低了設備成本。在將分流電阻器用作電流傳感器時，此功能讓計量表能夠自動校準電流和電壓通道，而無需準確的源表或標準表。 只要為計量表加電，即可測量每個通道的轉換常數 (CC)。該值本身就足以執(zhí)行自動校準（CC 是 mSure 在估算傳感器和前端的傳遞函數時所返回的值）。mSure 自動校準支持工業(yè)標準 1 類和 2 類計量表。雖然沒有任何一個數字可以全面地體現該 IC 的精度，但我們可以大致推斷其精度為 1% 左右。 綜合應用 諸如 ADE9153A 等先進 IC 雖然功能強大且十分精密，但要進行組裝并發(fā)揮其全部潛力絕非易事。為了解決這個問題，Analog Devices 為 ADE9153A 編寫了一份長達 50 頁的規(guī)格書，還附帶了其他一些文檔，其中提供有關印刷電路板布局最佳實踐的詳細信息，以及其他技術見解（請參見“相關內容”）。 EV-ADE9153ASHIELDZ 評估擴展板提供更多的設計導入支持，該板基于 Arduino 盾板平臺（圖 6）。這塊盾板帶有板載分流電阻器，可用于線路電流測量；并能對采用 ADE9153A 的電能計量系統(tǒng)進行快速評估和原型開發(fā)。
圖 6：EV-ADE9153ASHIELDZ 評估擴展板是一種 Arduino 盾板，可加快對采用 ADE9153A 的電能計量系統(tǒng)進行評估和原型開發(fā)。（圖片來源：Analog Devices） 在線路電流測量中，板載分流器處理的標稱電流為 5 A，最大電流為 10 A。該分流器支持最大 240 V RMS（標稱值）相電壓測量。 另外，還提供適用于 ADE9153A 的 Arduino 資源庫和應用實例，目的是簡化大型系統(tǒng)的實現。若使用 mSure 自動校準功能，便可校準該盾板來計量能量，并且在動態(tài)范圍內可實現 1% 的精度，無需使用成本昂貴的校準設備。 結語 為了滿足當前節(jié)能型交流線路測量要求，設計人員若是憑借基本的 RMS-DC 轉換器，則無法應對所面臨的各種挑戰(zhàn)。相反，他們必須以數字化方式生成交流線路的電壓和電流值，然后應用計算函數，確定很多必需的功率和能量參數。Analog Devices 的 ADE9153A 提供實現此目標所必需的功能和精度，而且提供電壓和電流輸入信號接口數據路徑、內部計量引擎內核和標準 SPI 接口。 |
