直流电能计量应用的发展与技术优势

在基于宽带隙半导体（例如GaN和SiC器件）的高效经济型功率转换技术发展的推动下，许多应用现在都看到了转换为直流电能的好处。因此，精确的直流电能计量变得越来越重要，特别是涉及到电能计费的地方。本文将讨论直流计量在电动汽车充电站、数据中心、微电网等方面的发展机会，以及由ADI推出的相关解决方案。

直流电能计量可提升电能计费的准确度

当前世界各国政府都在制定行动计划，以应对长期、复杂的减少CO2排放的挑战。CO2排放已证实是造成气候变化严重后果的原因，同时对新型高效能源转换技术和改进电池化学组成的需求也在迅速增长。

如今，对更高效、更环保的能源的需求与日俱增。由于更容易使用，早期的电网开发人员使用交流电（AC）向世界供电，但在许多地区，直流电（DC）可显着提高效率。直流电能计量应用相当多样，像是电动汽车直流充电站便将成为重要发展方向。

近年来，人们在提高电池容量和使用寿命方面做了大量工作，但同时必须提供广泛的电动汽车充电网络，这样才能无需担心行驶里程或充电时间问题，从容实现长途旅行。许多能源供应商和私营企业都在部署高达150 kW的快速充电器，并且每个充电桩功率高达500 kW的超快充电器也引发了公众的兴趣。考虑到局部充电峰值功率高达兆瓦的超快充电站和相关的快速充电能源溢价率，电动汽车充电将成为一个巨大的电能交换市场，随之需要进行准确的电能计费。

直流配电的另一个重要应用便是微电网，从本质上讲，微电网是更小版本的公用电力系统。因此，需要安全、可靠、高效的电源。医院、军事基地都可能使用微电网，微电网甚至会作为公用系统的一部分，其中可再生能源发电、燃料发电机和储能共同作用形成一个可靠的能源分配系统。

楼宇建筑中也会使用微电网，随着可再生能源发电机的广泛使用，建筑物甚至可以自行供电，屋顶太阳能电池板和小型风力涡轮机产生的电能足够使用，独立运行但仍提供公共电网支持。

直流供电的数据中心也是重要的应用之一，数据中心运营商正在积极考虑使用不同的技术和解决方案来提高设施的电力效率，因为电力是其较大的成本之一。

数据中心运营商看到了直流配电的相关好处，不仅可减少交流和直流之间需要进行的最少转换次数，而且与可再生能源的整合也更轻松、更高效。若能节能5%至25%，将可提高传输和转换效率，并减少热量产生，并增加双倍可靠性和可用性，且占地面积减少33%。配电总线电压范围高达380 VDC左右，由于许多运营商开始采用按用电量向托管客户收费的测量方法，因此精确的直流电能计量越来越倍受关注。



电能计量需要具有故障和窃电检测能力

20世纪初，传统交流电表完全是机电式。使用电压和电流线圈的组合在旋转铝盘中感应涡流。铝盘上产生的转矩与电压和电流线圈产生的磁通量的乘积成正比。最后，在铝盘上添加一个破碎磁铁，使转速与负载消耗的实际功率成正比。此时，只需计算一段时间内的旋转次数即可计量耗电量。

现代交流电表则更复杂，也更准确，并可防止窃电。现在，先进的智能电表甚至可以监测其绝对精度，并且安装在现场时可全天候检测是否存在窃电迹象。无论是现代电表、传统电表、交流电表还是直流电表，都是根据其每千瓦时脉冲常数和百分比等级精度进行分类的。

要测量负载所消耗的功率（P = V × I），至少需要一个电流传感器和一个电压传感器。当低电压侧为地电位时，流过电表的电流通常在高电压侧测量，以便尽量减少未计量漏电的风险，但电流也可在低电压侧测量，如果设计架构需要，也可以在两侧测量。通常使用测量和比较负载两侧电流的技术，使电表具有故障和窃电检测能力。但是，在测量两侧的电流时，至少需要隔离一个电流传感器，以便处理导体间的高电位。

电压通常用电阻分压器来测量，其中使用阶梯电阻将电位以一定比例降低到与系统ADC输入兼容的电平。由于输入信号的幅度很大，使用标准组件可轻松实现精确的电压测量。但是，必须注意所选组件的温度系数和电压系数，以确保在整个温度范围内具有所需的精度。

提供超低输入电流的高采样率 ADC

在直流电能计量应用中，ADI的AD7779、AD8629与ADA4528-1都在其中扮演重要的角色。其中，AD7779是一款8通道同步采样ADC，片内集成8个完整的Σ-Δ ADC。AD7779提供超低输入电流，允许直接连接传感器。每个输入通道都有一个增益为1、2、4和8的可编程增益级，可将低幅度传感器输出映射到满量程ADC输入范围，从而使信号链的动态范围最大。AD7779接受1 V至3.6 V的VREF。模拟输入接受单极性（0 V至VREF/GAIN）或真双极性（±VREF/GAIN/2 V）模拟输入信号，模拟电源电压分别为3.3 V或±1.65 V。模拟输入可配置为接受真差分、伪差分或单端信号以匹配不同的传感器输出配置。

每个通道包含一个ADC调制器和一个sinc3低延迟数字滤波器。采用SRC来对AD7779的输出数据率（ODR）进行精细分辨率控制。这种控制可用于线频率变化为0.01 Hz时，ODR分辨率需要维持相干性的应用。SRC可通过串行端口接口（SPI）编程。AD7779实现了两种不同接口：数据输出接口和SPI控制接口。ADC数据输出接口专门用于将ADC转换结果从AD7779发送至处理器。SPI接口用以负责AD7779配置寄存器的读写，并用于控制和读取SAR ADC的数据，SPI接口还可配置为输出Σ-Δ转换数据。

AD7779包括一个12位SAR ADC，该ADC可以用于AD7779诊断，这样就无需为系统测量功能专门腾出一个Σ-Δ型ADC通道。通过外部多路复用器（可利用3个通用输入/输出GPIO引脚加以控制）和信号调理，SAR ADC可在需要功能安全的应用中用于验证Σ-Δ型ADC测量结果。此外，AD7779 SAR ADC内置一个多路复用器，可用来检测内部节点。

AD7779包含一个2.5 V基准电压源和参考缓冲器。基准电压源的温度系数为10 ppm/℃（典型值）。AD7779提供两种工作模式：高分辨率模式和低功耗模式。高分辨率模式提供较高的动态范围，功耗为每通道10.75 mW；而低功耗模式在较低的动态范围规格下功耗仅为每通道3.37 mW。AD7779的额定工作温度范围为-40℃至+105℃，不过器件工作温度最高可达+125℃。



具有超低噪声、漂移等电流特性的放大器

ADI的AD8629放大器则具有超低失调、漂移和偏置电流特性，为宽带宽、自稳零放大器，具有轨到轨输入和输出摆幅以及低噪声特性，采用2.7 V至5 V单电源供电（或±1.35 V至±2.5 V双电源供电）。

AD8629可提供以前只有昂贵的自稳零或斩波稳定放大器才具有的特性优势。这些零漂移放大器采用ADI公司的电路拓扑结构，将低成本与高精度、低噪声特性融于一体，且无需外部电容。此外，AD8629还大大降低了大多数斩波稳定放大器所具有的数字开关噪声。

AD8629的失调电压仅为1 µV，失调电压漂移小于0.005 µV/℃，噪声仅为0.5 µV峰峰值（0 Hz至10 Hz），因而适合不容许存在误差源的应用。这些器件在工作温度范围内的漂移接近零，对位置和压力传感器、医疗设备以及应变计放大器应用极为有利。许多系统都可以利用AD8629提供的轨到轨输入和输出摆幅能力，以降低输入偏置复杂度，并使信噪比达到较大。

AD8629的额定温度范围为−40℃至+125℃扩展工业温度范围。AD8629提供标准8引脚窄体SOIC和MSOP两种塑料封装。

ADI的另一款ADA4528为超低噪声、零漂移运算放大器，具有轨到轨输入和输出摆幅。失调电压为2.5 µV，失调电压漂移为0.015 μV/℃，噪声为97 µV p-p（0.1 Hz至10 Hz，AV = +100），因而ADA4528非常适合不容许存在误差源的应用。

ADA4528具有2.2 V至5.5 V的宽工作电源电压范围、高增益、出色的CMRR和PSRR特性，是要求低电平信号精密放大应用的理想之选，如位置和压力传感器、应变计、医疗仪器等。

ADA4528的额定温度范围为−40℃至+125℃扩展工业温度范围，其中的ADA4528-1提供8引脚MSOP和8引脚LFCSP两种封装，ADA4528-2采用8引脚MSOP封装。

ADA4528的最大失调电压为2.5 μV，最大失调电压漂移为0.015 μV/℃，非常适合为小分流信号提供超低漂移、100 V/V放大。因此，同步采样、24位ADC AD7779可直接连接到放大级，具有5 nV/℃输入参考失调漂移量。通过直接与AD7779 ADC输入端相连的1000:1比率的电阻电位分压器，可以精确测量高直流电压。

结语

直流电能计量具有比交流电能计量更高的精度，在市场需求快速增加的充电站、微电网、数据中心等应用中，直流电能计量将更具计费公平性，并减少交直流之间需要进行的转换次数与能源损耗，与可再生能源的整合也更轻松、更高效，将会成为重要的发展趋势。ADI公司是精密传感技术的行业领导者，为精密电流和电压测量提供完整信号链，以满足严格的标准要求，本文所介绍的相关产品，将成为直流电能计量应用的最佳选择之一。