3 에너지 계량 및 ADC 잡음 성능 비교에 사용되는 PCB Rogowski 코일의 민감도

PCB Rogowski 코일 민감도는 일반적으로 암페어당 마이크로볼트 단위로 정의되며 지오메트리(회전 수, 코일 치수), 코어 물질(있을 경우), 전류 주파수 및 환경 요소(온도, 습도, 외부 자기장)[9]에 따라 달라집니다. 일반적인 민감도는 암페어당 수십에서 수백 마이크로볼트에 달합니다[9].

주거용 전기 계량기가 2% 정확도로 250mA RMS(평균 제곱근) 위상 전류를 측정하려면 이러한 민감도는 일반적인 정확도 요구 사항입니다[1]. 예를 들어, 200μV/A Rogowski 코일의 경우 ADC 입력의 신호는 이 위상 전류에 대해 200μV/A × 0.250A = 50μV에 지나지 않습니다. 2%의 정확도로 이 신호를 측정하는 데 필요한 ADC 성능(즉, 유효 해상도를 결정하는 잡음)은 방정식 1이(가) 정의하는 대로 불과 0.02 × 200μV/A × 0.250A = 1μV입니다.

여기서 V_nADC는 요구되는 ADC의 잡음 수준이고, tol은 특정 위상 전류에서 지정된 측정 정확도(%)이며, I_phase-rms는 암페어이고, k는 암페어당 마이크로볼트 단위의 Rogowski 코일의 민감도 상수입니다.

따라서 이 예에서 ADC의 총 잡음(양자화 잡음과 백색 잡음)은 1μV 미만이어야 합니다.

1μV ADC 잡음 요구 사항을 텍사스 인스트루먼트(TI) ADS131M08[10]과 같은 정밀 ADC 사양과 비교하면, 의도한 성능 수준을 달성하려면 ADC 샘플의 추가적인 평균화가 필요할 수 있다는 점이 분명해집니다. 표 2은(는) 이러한 평균화를 보여주며, OSR(오버샘플링 비율)에 의해 정의된 다양한 게인 설정과 데이터 전송률에 대한 RMS 마이크로볼트 단위의 총 ADC 잡음도 보여줍니다. 1의 게인과 4kSPS 샘플 레이트(OSR = 1,024)의 경우 ADC 잡음은 약 5μVrms 입니다. 평균화 시간을 두 배로 늘리기 위해 √2의 계수로 잡음이 향상됨에 따라 1μV 미만의 ADC 잡음의 요구 사항을 달성하려면 16ms 이상의 시간이 필요합니다. 이는 일반적으로 20ms의 업데이트 속도를 요구하는 대부분의 에너지 계량 시스템에 허용되는 수준입니다[1]. 이러한 유형의 평균화는 델타-시그마 ADC의 내부 오버샘플링 비율(OSR) 기능과 외부 사후 평균화를 사용하여 ADC 내부 오버샘플링의 조합으로 실질적으로 구현할 수 있습니다.

표 2에서 제안하는 또 다른 옵션은 입력[10]에 대한 잡음을 감소시키기 때문에 ADC 내부의 프로그래머블 게인 증폭기(PGA)에 대해 더 높은 게인을 선택하는 것입니다. 또는 ADC에 도달하기 전에 외부 게인 단계를 사용하여 신호를 사전 조절할 수도 있습니다. 하지만 외부 게인 단계는 신호 체인의 비용을 크게 증가시킵니다.