基于单片机的能耗测量 IC 简化辅助计量

引言

诸如智能插头和电器电度表等辅助计量 (sub-metering) 应用使消费者能够了解和控制其电能使用状况。其他的辅助计量应用（如服务器功率表）则可帮助 IT 部门优化服务器群的功耗。在设计辅助计量表时，像传感器、模拟前端 (AFE) 组件和微控制器 (MCU) 的选择之类的考虑因素对于决定总体系统成本与复杂性有着举足轻重的影响。作为一款有效的实施方案，其应易于设计并具有低量产成本，同时满足应用的主要需求 － 可靠地测量和报告电能消耗信息。本文将讨论 MSP430AFE2xx IC1 在能耗测量应用中的特性与优势。虽然 MSP430AFE2xx 完全适合公用事业级电力表中的能耗测量，不过本文将专门讨论其在辅助计量中的应用。在本文中，辅助计量指的是非公用事业型的电能计量应用，例如：智能插头、电器电度表和服务器功率表。

辅助计量表的功能

辅助计量表的形式可以是智能插头（见图 1），也可以集成在电器设备（见图 2）或服务器中。不管是哪一种形式，辅助计量表通常执行的是下列功能：

测量某种电器设备的实时能耗。

将能耗数据传送给用户。这可以利用辅助计量表自身上的一个简单的 LCD 读出器完成。或者，辅助计量表也能够以无线或有线通信的方法将数据传送到一个远程终端，前者采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技术，而后者则使用串行端口或电力线通信 (PLC) 技术。

辅助计量表可以选择具备对输送至电器设备的功率实施调节的能力。例如：在尖峰负荷时间关断电器设备或从某个远程位置进行控制。

用于能耗测量的组件

能耗测量系统需要使用电压和电流传感器、一个用于连接这些传感器的 AFE 和一个负责完成能耗测量计算的 MCU。能耗测量结果可显示在 LCD 屏之上，或通过串行总线发送至其他设备以进行无线通信，如下一页上的图 2 所示。

2012-10-20 13:59:42 上传

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图 1：MSP430™ 能源看门狗 (Energy Watchdog)2 智能插头参考设计

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图 2：能耗测量系统方框图

功率是瞬时电压与电流的乘积。如下面的公式所示，有功能耗为功率的时间积分，以千瓦-小时 (kWh) 为单位来表示。

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式中的 Vsamp 为电压样本，Isamp 为电流样本，N 为样本数量。

能耗测量的第一步是分别采用电压和电流传感器来测量输入电压和负载电流。

选择电压和电流传感器

在辅助计量表中，可以采用简单的电阻分压器作为电压传感器。应选择正确的电阻值以对交流电源电压（通常为 230 VAC 或 120 VAC）进行分压，从而适合模数转换器 (ADC) 的输入范围。图 3 中所示的电阻分压器电路可用于将 230 VAC 的交流电源电压分压至大约 350 mV RMS（其峰值为 495 mV），然后再馈送至 ADC 的正输入3。电阻器具有最大额定电压，假如超过此电压就会在电阻器本体上引起电弧。如果采用串联的分立电阻器（R1、R2 的 R3）替代单个 1MΩ 电阻器，则允许使用标准电阻器，而不会超过其最大额定电压。

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图 3：MSP430AFE2xx 能耗测量 IC 的电压检测电路

电压传感器的另一种替代选择是电压变换器，其可提供与高电压交流电源的隔离。不过，与分立式电阻器相比，电压变换器较为昂贵。

电流传感器的选择取决于家用电器所使用的输入交流电源的类型。在美国，诸如冰箱和洗衣机等家用电器依靠单相 120 VAC 电源运作，而大功率电器（比如：干衣机和炊事电炉等）则采用分相 240 VAC 电源工作。对于单相应用，可以在中性线中布设一个低阻值的分路电阻器（图 4），并可测量分路两端的电压降以计算电流。分路电阻器的阻值由负载电流的范围、ADC 的增益设定值和传感器上的功率耗散决定。分路电阻器的特点是成本低廉且简单易用，但其并未提供电隔离。对于诸如干衣机和炊事炉具等使用分相电源的电器而言，在两条载电线上均必须采用电流变换器。电流变换器可提供电隔离，但成本要比分路电阻器高。

2012-10-20 13:59:40 上传

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图 4：MSP430AFE2xx 能耗测量 IC 的电流检测电路

位于检测级之后的是无源接口电路，负责在输入信号馈入 ADC 之前对其做进一步的调节。该电路包括一个滤波器，用于消除有可能导致不准确测量的寄生宽带噪声。对于单相家用电器（如冰箱），需要两个 ADC：一个用于测量电压，另一个用于测量电流。而对于干衣机和炊事炉具，则需要 4 个 ADC，用于测量两个电压和两个电流。可采用具有 16 位或 24 位分辨率及同时采样能力的 ADC 来生成准确的能耗测量结果。[page]

能耗测量及报告

能耗测量计算利用由 ADC 收集的电压和电流样本来完成。由下式可见，为了计算有功能耗 (active energy)、无功能耗 (reactive energy) 或表观能耗 (apparent energy)，MCU 必须具备针对诸如平方根、平方和除法等常用函数的优良数学库。

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式中的 Vsamp 为电压样本，Isamp 为电流样本，N 为样本数量。

一旦计算出能耗测量结果，即可利用辅助计量表自身或一个远程终端上的 LCD进行显示。MCU 可通过串行通信接口与 LCD 驱动器或无线通信模块相连。倘若采用的是分路电阻器和分压器之类的非隔离传感器，抑或 AFE 和 MCU 以馈电线电压为基准，则应对连接至其他采用不同基准电压的器件或系统的所有线路进行隔离，这一点至关紧要。可采用光耦合器或电容性隔离 IC 来实现这种隔离。

使用低功率组件的能耗测量系统可采用简单的电容式电源供电。然而，电容式电源不能提供用于驱动 RF 收发器的足够电流。采用 Wi-Fi™ 或 ZigBee® 技术传送能耗数据的辅助计量表将需要一个额外的 NPN 输出缓冲器或变压器以及开关式电源，用于为 RF 收发器供电。

校准

由于组件和传感器容差的缘故，计量表之间可能存在能耗测量值的差异。公用事业公司提供的电表有着严格的精度要求，而且在每个电表上都必须对由于组件容差造成的误差加以校准。然而，诸如智能插头和电器电度表等辅助计量表的精度要求往往比较宽松，因为它们的测量结果并不用于收费目的。设计的校准常数可在开发期间确定并写入 MCU 闪存之中，因而不必在生产过程中逐个单元进行校准。预计采用这种方法可实现 <3% 的准确度。该准确度在许多辅助计量表应用中均可满足要求，而且校准的免除还能在生产中节省大量的成本。

MSP430AFE2xx 能耗测量 IC

MSP430AFE2xx 能耗测量 IC 在单个封装中集成了多个 24 位 Σ-Δ ADC、可编程增益放大器和一个 16 位 MCU。该器件配套提供了用于执行能耗测量计算任务的 TI MSP430™ MCU Energy Library4 软件。

2012-10-20 13:59:39 上传

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图 5：面向能耗测量应用的 MSP430AFE2xx 的特性

当把 MSP430AFE2xx 能耗测量 IC 应用于辅助计量表时，开发人员将会体验到以下的主要特性与优势：

高集成度

MSP430AFE2xx 集成了多种能耗测量所需的组件，包括 ADC 和 MCU。这使得低成本和小占板面积辅助计量表设计能够采用极少的组件。除了能耗测量之外，MSP430AFE2xx 还可根据需要用于运行其他的小应用程序。

多个 24 位 Σ-Δ ADC

内置的三个 ADC 皆可支持 ±500 mV 的差分输入电压，因此来自电流传感器的输出无需电平移位即可直接馈送至 ADC。另外，ADC 输入还支持高达 －1 V 的负输入电压，所以同样允许来自 AC 馈电线的分压电压信号直接连接至 ADC，而不必进行额外的电平移位。

MSP430AFE2xx 提供了多达 3 个具有 24 位分辨率的 Σ-Δ ADC。这些 ADC 能在很宽的负载电流范围内提供公用事业级 (< 0.1%) 的准确度。ADC 的同时采样特性消除了电流和电压样本之间的固有延迟，并且不再需要进行软件校正，这在顺序采样法中是一反常规的。

低功耗

MSP430AFE2xx 能耗测量 IC 具有低功耗特性，这一点对于拥有依靠低成本电容式电源给器件供电的能力十分重要。

软件可编程性

TI 提供的 MSP430™ MCU 能源库 (Energy Library) 和代码范例有助轻松快捷地实现基于 MSP430AFE2xx 的能耗测量计算。

诸如 MSP430AFE2xx 等软件可编程解决方案的一项关键优势是其为系统设计人员提供了根据特定的应用要求对解决方案做适应性调整的灵活性。例如：系统设计人员可执行一种非标准的通信协议，以将能耗数据发送到主处理器或远程终端。软件可编程能耗测量 IC 的另一项优势是可在生产过程免除校准工作。

串行通信接口和 GPIO

MSP430AFE2xx 允许通过标准的串行接口（如 SPI 或 UART）传送能耗数据。其另外的 GPIO 可用实现 LCD 接口、LED 脉冲发生或者与诸如按键等输入相连接。

总结

要在智能插头、电器设备和服务器中广泛推广使用能耗测量，可完成能耗测量的低成本组件起着重要的作用。MSP430AFE2xx 能耗测量 IC 将能耗测量所需的主要组件集成在了单个封装之中。这些组件包括可编程增益放大器、ADC、MCU 以及负责与其他器件进行通信的串行接口。MSP430AFE2xx 只需区区几个无源组件便可与诸如分路电阻器和分压器等低成本传感器相连。MSP430 系列微控制器的低功耗性能允许采用低成本的电容式电源为 MSP430AFE2xx 供电。由于这款解决方案可采用软件进行编程，因此提供了执行非标准通信协议的灵活性。最后，一旦在开发过程中完成了校准，则可在生产期间将相同的校准常数写入每个 MSP430AFE2xx 单元，以轻松实现 3% 或更好的准确度。由于在生产过程中免除了校准，故而有望显著降低生产成本。