低成本、高精度电子计量解决方案
出处:维库电子市场网 发布于:2024-08-27 16:24:06
M-CRPS 电子表精度规格要求输入功率测量误差:负载大于 125 W 时,误差在 ±1% 以内;负载在 50 W 至 125 W 之间时,误差在 ±1.25 W 以内;负载低于 50 W 时,误差在 ±5 W 以内。
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为了实现如此高的测量精度,传统上电子计量功能是通过专用计量装置 [3] 来实现的,如图2所示。功率因数校正 (PFC) 输入侧的分流器可感测输入电流,跨交流线和交流中性线的分压器(图 2 中未显示)可感测输入电压。专用计量装置接收此电流和电压信息,并计算输入功率和输入均方根 (RMS) 电流信息,并将结果发送到主机。
在本电源技巧中,我将讨论一种低成本但高精度的电子测量仪解决方案,该解决方案使用单个电流传感器进行电子测量和 PFC 电流环路控制。将电子测量仪功能集成到 PFC 控制代码中,无需使用专用的测量设备,不仅降低了系统成本,还简化了印刷电路板 (PCB) 布局并加快了设计过程。
电子电表解决方案
图 3新型电子计量表和 PFC 控制配置,其中:电流分流器感应输入电流,隔离式 delta-sigma 调制器测量分流器两端的电压降,调制器的输出用于电子计量和 PFC 电流环路控制。德州仪器Δ-Σ 调制器
与几乎所有数字 PFC 控制器 MCU 使用的逐次逼近寄存器 (SAR) 型 ADC 相比,delta-sigma 调制器可以提供高分辨率数据。调制器以极高的速率对输入信号进行采样,以产生 1 位代码流,如图4所示。
Delta-sigma 数字滤波器
C2000 MCU 具有内置 delta-sigma 数字滤波器,可解码 1 位流。滤波器输出的有效位数 (ENOB) 取决于滤波器类型、过采样率 (OSR) 和 delta-sigma 调制器频率 [5]。通常,对于给定的滤波器类型,OSR 越高,ENOB 就越高;然而,代价是滤波器延迟增加。
通过研究速度与分辨率之间的权衡,选择正确的滤波器配置非常重要。对于 PFC 电流环路控制,较短的延迟更为重要,因为它可以帮助增加控制环路相位裕度并降低总电流谐波失真。另一方面,高分辨率电流数据对于实现电子计量的高精度是必不可少的。为此,这里提出的解决方案使用两个 delta-sigma 数字滤波器:一个配置为高速但分辨率相对较低,用于 PFC 电流环路控制;另一个配置为高分辨率但速度相对较低,用于电子计量;参见图 5。
图6是固件结构,它由三个循环组成:
主循环用于缓慢且非时间关键的任务。
以 100 kHz 运行的快速中断服务程序 (IRS1),用于 ADC、delta-sigma 数据读取和电流环路控制。
运行频率为 10 kHz 的速度较慢的 ISR2,用于电压环路控制和电子表计算。
由于电子表计算在 ISR2 中,因此它对 PFC 电流环路没有影响。使用此结构将电子表功能集成到 PFC 控制代码中不会影响 PFC 性能。
现在有了输入电流数据(通过 delta-sigma 调制器)和输入电压数据(通过 MCU 的 ADC),是时候进行电表计算了。公式 1 计算输入电压 RMS 值:
输入电流RMS值计算包含两步,步计算测量电流(电感电流)RMS值,如公式2所示:
回到图 3,由于分流电阻器位于 EMI 滤波器之后,因此无法测量 EMI 滤波器的 X 电容引起的无功电流。因此,公式 2 不代表总输入电流。这种情况在高线电压和轻负载下会恶化,此时无功电流不可忽略;准确的输入电流需要将其包括在内。
为了计算 EMI 电容器的无功电流,首先需要知道输入电压频率。ADC 测量交流线路和中性电压;比较线路和中性电压值将找到零交叉点。由于输入电压以固定速率采样,因此可以通过计算两个连续零交叉点之间的样本数来计算交流频率。一旦您知道输入电压频率,公式 3 就会计算 EMI 电容器的无功电流:
I EMI是超前测量电流 (I L ) 90 度的无功电流;因此,公式 4 可计算出总输入电流:
输入功率计算也包括两个步骤。首先,计算测量功率,如公式5所示:
EMI 滤波器的总直流电阻为 R。公式 6 计算 EMI 滤波器上的功率损耗:
,将 EMI 滤波器功率损耗添加到测量功率中,即可获得总输入功率(公式 7):
我在 3.6 kW(低压线为 1.8 kW)图腾柱无桥 PFC 中实现了所提出的电子测量仪功能。图 7、图 8和图 9分别显示了低压线、高压线和直流输入下的测试结果。此实现实现了 <0.5% 的测量误差,比 M-CRPS 电子测量仪规格好两倍。此外,该实现仅使用 1 点校准,这大大减少了校准时间和成本。
图 7 1.8 kW 低压线的电子表测试结果,Vin 设置为 115 VAC,显示电子表精度远高于 M-CRPS 精度规格。德州仪器图 8: 3.6 kW 高线的电子表测试结果,Vin 设置为 230 VAC,显示电子表精度远高于 M-CRPS 精度规格。
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图 9直流输入的电子表测试结果显示,电子表精度远高于 M-CRPS 精度规格。
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