低成本、高精度电子电表解决方案

介绍

数据中心中的电源实时测量输入功率并将测量结果报告给主机，这就是所谓的电计量(e-metering)。在过去十年中，电子电表已成为电源装置的常见要求，因为它为数据中心带来了以下优势 ：

· 识别异常低或高的能源使用量以及潜在原因，支持调峰等做法。

· 促进围绕空间和电力利用率的容量规划。

· 帮助跟踪和管理能源成本;核实能源账单;并通过提高能源效率和能源管理来确定优先顺序、验证和降低能源成本。

· 能够对数据中心性能进行定量评估，并在公平的竞争环境中对该性能进行基准测试。

· 帮助制定和验证能源效率战略，并发现通过降低能源和运营成本来提高能源效率的机会。

· 调试和检测物理系统中的故障并诊断其原因。

由于所有这些原因，电子表必须非常准确。图1显示了模块化硬件系统-通用冗余电源(M-CRPS)电表精度要求，要求负载大于125 W时输入功率测量误差在±1%以内，在±1.25 W以内当负载在 50W 至 125W 之间时，当负载低于 50W 时，在 ±5W 范围内。

图1 M-CRPS电表精度规范，要求输入功率测量误差：负载大于125W时在±1%以内;当负载介于 50 W 和 125 W 之间时，误差范围在 ±1.25 W 范围内;当负载低于 50 W 时，误差范围在 ±5 W 范围内。

为了达到如此高的测量精度，传统上电子表功能是通过专用计量设备来实现的，如图2所示。功率因数校正 (PFC) 输入侧的电流分流器感测输入电流，交流线路和交流中性点上的分压器(图 2 中未显示)感测输入电压。专用计量设备接收该电流和电压信息，并计算输入功率和输入均方根(RMS)电流信息，将结果发送到主机。

图 2传统电表和 PFC 控制配置，其中：PFC 输入侧放置分流器以感测输入电流，分压器(未显示)感测交流线路，交流中性线感测输入电压。

为了控制 PFC 输入电流，另一个电流传感器(例如图 2 中所示的霍尔效应传感器)会感测输入电流，然后将输入电流信息发送到 MCU 以进行 PFC 电流环路控制。然而，霍尔效应传感器和专用计量装置都很昂贵。

在本电源技巧中，我将讨论一种低成本但高精度的电子表解决方案，该解决方案使用单个电流传感器进行电子计量和 PFC 电流环路控制。将电表功能集成到 PFC 控制代码中，无需专用计量设备，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。

电子表解决方案

图 3显示了建议的电子电表配置。电流分流器感测输入电流;隔离式 Delta-Sigma 调制器 AMC1306 可测量分流器上的压降。 Δ-Σ 调制器输出发送至 PFC 控制器 MCU。该电流信息将用于电子计量和 PFC 电流环控制。分压器感测输入电压，然后由 MCU 的模数转换器 (ADC) 直接测量输入电压，就像传统 PFC 控制一样。

图 3新的电表和 PFC 控制配置，其中：电流分流器感测输入电流，隔离式 Δ-Σ 调制器测量分流器上的电压降，调制器的输出用于电子计量和 PFC 电流。循环控制。

Delta-Sigma 调制器

与几乎所有数字 PFC 控制器 MCU 都使用的逐次逼近寄存器 (SAR) 型 ADC 相比，Δ-Σ 调制器可以提供高分辨率数据。调制器以非常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。

图4 Delta-sigma调制器的输入和输出;较高的正输入信号在输出端产生的时间百分比较高，而较低的负输入信号在输出端产生的时间百分比较低。

1 与 0 的比率表示输入模拟电压。例如，如果输入信号为 0 V，则 50% 的时间输出为 1。较高的正输入信号产生较高百分比的时间，而较低的负输入信号产生较低百分比的时间。与大多数量化器不同，Δ-Σ 调制器将量化噪声推至更高频率 [4]，使其适合高精度测量。

Delta-Sigma 数字滤波器

C2000 MCU 具有内置 delta-sigma 数字滤波器，可对 1 位流进行解码。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 Δ-Σ 调制器频率 [5]。通常，对于给定的滤波器类型，较高的 OSR 将导致较高的 ENOB;然而，代价是增加了滤波器延迟。

通过研究最佳速度与分辨率的权衡来选择正确的滤波器配置非常重要。对于PFC电流环控制来说，短延迟更为重要，因为它有助于增加控制环相位裕度并减少总电流谐波失真。另一方面，为了实现电子计量的高精度，需要高分辨率的电流数据。因此，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 5建议的 delta-sigma 滤波器配置使用两个滤波器：一个用于高速但具有低分辨率，用于 PFC 电流环路控制;另一个用于低速，用于电子计量但具有高分辨率。

固件结构

图6是固件结构，由三个循环组成：

· 用于缓慢且非时间关键任务的主循环。

· 以 100 kHz 运行的快速中断服务例程 (IRS1)，用于 ADC、delta-sigma 数据读取和电流环路控制。

· 较慢的 ISR2 以 10 kHz 运行，用于电压环路控制和电表计算。

由于电表计算在 ISR2 中进行，因此它对 PFC 电流环路没有影响。使用此结构将电表功能集成到 PFC 控制代码中不会影响 PFC 性能。

图 6由三个循环组成的固件结构：一个用于低非时间关键任务的主循环;用于 ADC、delta-sigma 数据读取和电流环路控制的 100 kHz IRS1 环路;和 10 kHz ISR2 lopo，用于电压环路控制和电表计算。

电表计算

现在已有输入电流数据(通过 Delta-Sigma 调制器)和输入电压数据(通过 MCU 的 ADC)，是时候执行电表计算了。公式 1 计算输入电压 RMS 值：

其中 V in (n) 是 ADC 采样数据中的V ，N 是一个 AC 周期内 ADC 采样的总数。

输入电流有效值计算包括两个步骤。第一步是计算测量电流(电感电流)RMS 值，如公式 2 所示：

其中 (n)中的I是 delta-sigma 数字滤波器输出。

返回图 3，由于分流电阻器放置在 EMI 滤波器之后，因此不会测量 EMI 滤波器的 X 电容器引起的无功电流。因此，公式 2 并不代表总输入电流。这种情况在高线路和轻负载时会更严重，此时无功电流不可忽略;准确的输入电流报告需要将其包括在内。

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线电压;比较线路电压值和中性线电压值将发现零交叉。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过零点之间的采样数来计算交流频率。一旦知道输入电压频率，公式 3 即可计算 EMI 电容器的无功电流：

其中 C 是 EMI 滤波器的总电容，f 是输入交流电压频率。

I EMI是超前测量电流 (I L ) 90 度的无功电流;因此，公式 4 将总输入电流计算为：

输入功率计算也包含两个步骤。首先，计算测得的功率，如公式 5 所示：

由于输入电压是在 EMI 滤波器之后测量的，因此不会测量 EMI 滤波器引起的功率损耗。虽然这种功率损耗通常非常小，但对于需要极其精确测量的应用，您可能需要将其包括在内。

EMI 滤波器的总直流电阻为 R。公式 6 将 EMI 滤波器的功率损耗计算为：

最后，将 EMI 滤波器功率损耗与测得的功率相加即可得出总输入功率(公式 7)：

测试结果

我在 3.6 kW(低线路时为 1.8 kW)图腾柱无桥 PFC 中实现了建议的电子表功能。图7、图8和图9分别显示了低线、高线和直流输入时的测试结果。该实施实现了 <0.5% 的测量误差，比 M-CRPS 电子计规范好两倍。此外，该实施仅使用1点校准，这显着减少了校准时间和成本。

图 7在 1.8 kW 低电压线路(Vin 设置为 115 VAC)下的电表测试结果显示电表精度远优于 M-CRPS 精度规范。

图 8电子表在 3.6 kW 高线路下的测试结果，Vin 设置为 230 VAC，显示电子表的精度远优于 M-CRPS 精度规格。

图 9直流输入时的电子计测试结果显示电子计精度远优于 M-CRPS 精度规格。

低成本、高精度电子表

本文介绍了一种低成本且高精度的电表解决方案：隔离式 Delta-Sigma 调制器测量输入电流，然后将其发送到 MCU 以进行电表测量和 PFC 电流环路控制。所提出的解决方案仅通过 1 点校准即可实现出色的测量精度。与传统电子表解决方案相比，它不仅节省了成本，还简化了 PCB 布局并加快了设计过程。