说明
此参考设计使用一个隔离式和一个非隔离式独立多通道模数转换器 (ADC) 及两个分流器，实现了一款单相电能测量（带中性线）或分相电能测量子系统。分流传感器和低功耗线性 3D 霍尔效应传感器 (TMAG5273) 相结合，可提供保护并能够检测磁篡改攻击。该参考设计在 4000:1 输入范围 (25mA–100A) 内以 4kHz 的采样率实现 0.2 S 级精度，并使用 TI Arm® Cortex®-M0+ 主机微控制器计算计量参数。MSPM0-SDK 版本中实现了必要的软件功能：2.01.00.03 可使用 TI Code Composer Studio™ 进行编译。
资源
| TIDA-010944 | 设计文件夹 |
| MSPM0G1106 | 产品文件夹 |
| AMC131M03、ADS131M02 | 产品文件夹 |
| TMAG5273 | 产品文件夹 |
| ISO6731 | 产品文件夹 |
特性
- 适用于电表的单相双线 (1P2W) 0.2 S 级并联计量子系统
- 适用于电表的分相双线 (2P2W) 0.2 S 级并联计量子系统
- 能量计量软件，脉冲输出连接到参考测试系统，并在 Microsoft® Windows® PC GUI 上显示结果
- 有功和无功电能和功率、均方根 (RMS) 电流和电压、功率因数以及线路频率计算
- 能够使用线性 3D 霍尔效应传感器检测磁篡改
- 在 25mA 至 100A、120V 电压下进行了测试，包括 RS-232 5kVRMS 隔离接口
1 系统说明
TIDA-010944 参考设计具有以下各部分描述的属性。
1.1 主要系统规格
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 相位数 | 1 或 2（通过分流器测量每个相电流），通过电阻分压器测量单个电压 |
| 精度等级 | 0.2 S 级 |
| 动态范围 | 1:10000（针对 1:1000 或 100mA - 100A 测试精度） |
| 电流传感器 | 分流器 |
| 测试电流范围 | 0.1A–100A |
| 测试电压范围 | 10V–270V |
| ADS131M02 和 AMC131M03 CLKIN 频率 | 8,192,000Hz （可通过更改 XTAL Y1 进行修改） |
| ADS131M02 和 AMC131M03 Δ-Σ 调制时钟频率 | 4,096,000Hz (= CLKIN / 2) |
| SPI 时钟 | 19,968MHz (G1106) |
| 过采样率 (OSR) | 1024 |
| 数字滤波器输出采样率 | 4000 个样本/秒（默认） （可根据寄存器设置进行调节） |
| 相位补偿实现 | 软件 |
| 相位补偿分辨率 | 0.0176°（50Hz 时）或 0.0211°（60Hz 时） |
| 选用的 CPU 时钟频率 | 79.87MHz |
| 系统标称频率 | 50Hz 或 60Hz |
| 测量的参数 |
|
| 被测参数的更新速率 | 约等于 1 秒 |
| 通信选项 | 具有 UART 的 PC GUI（隔离式 RS -232 连接器或 J4 接头上的非隔离式） |
| 使用的 LED | 2 个 LED：有功电能和无功电能 |
| 电路板电源 | 3.3V 和 GND |
1.3 电表
公用事业提供商和客户越来越需要电表具备更多功能，由于电表的精度要求和预期处理量都在快速增加，因此仅靠单个计量片上系统 (SoC) 解决这些问题是越来越难。具有独立 ADC 和主机微控制器 (MCU) 的双芯片方法有助于克服电表 SoC 的局限性，并实现可针对成本或性能进行优化的混合和匹配解决方案。
使用具有集成电源和数据隔离功能的出色、精确、独立式 ADC（例如 AMC131M03）具有以下优势：
- 能够满足最严格的精度要求
- 能够满足应用特定产品或计量 SoC 有时无法达到的最低采样率要求（不影响精度）
- 能够根据应用要求，例如每秒百万条指令 (MIPS) 的处理能力、最小随机存取存储器 (RAM) 和闪存区域、通信模块（例如串行外设接口 (SPI)、通用异步接收器/发送器 (UART)、内部集成电路 (I2C)、实时时钟 (RTC) 和连续转置导体 (CRC) 模块）的数量，灵活选择主机 MCU。
为了正确测量能耗，电压和电流传感器将市电电压和电流转换为 ADC 可以检测的电压范围。使用多相配电系统时，必须将电流传感器相间隔离，以便传感器可以正确检测从一条或两条不同线路汲取的电流（在测量零线或采用分相配置时），而不会损坏 ADC。此设计使用两个具有成本效益、不受磁篡改影响的分流传感器，可以实现具有可选中性线测量功能的单相电表或具有双电流单电压配置的分相电表。
TIDA-010944 是一款 0.2 S 级高精度单相或分相分流电表参考设计，它采用一个三通道独立隔离式 AMC131M03 ADC、一个非隔离式双通道独立 ADS131M02 ADC 和一个具有成本效益的 MSPM0G1106 MCU。此参考设计还可用于在电动汽车 (EV) 充电器和交流壁挂式充电箱等常用产品中进行电能计量。非隔离式 ADC 检测 A 相的电流和电压，而非隔离式 ADC 用于对中性线或 B 相进行电流监控，具体取决于所使用的配置。
TIDA-010944 固件专门支持单相中性线或分相电能测量的多种计量参数计算。可以从校准 GUI 或通过连接到参考计量测试系统的 ACT 和 REACT 脉冲输出查看这些参数。
- 总的和每相的有功 (kWh)、无功 (kvarh) 和视在电能 (kVAh)，具有脉冲生成输出
- 总的和每相的有功 (kW)、无功 (kvar) 和视在功率 (kVA)
- 每相电压和电流的均方根 (RMS)
- 功率因数
- 线路频率
1.4 电能质量监测仪，电能质量分析仪
除了用于电表外，这种单相或分相 ADC 架构还适用于电能质量分析仪和电能质量监测仪以及电动汽车充电器或交流充电器（也称为壁挂式充电箱）。此终端设备用于帮助公用事业和工业企业测量某些电能质量参数以监测和控制电能质量，如电压谐波、电流谐波、电源电压骤降、电源电压骤升以及其他参数。对于所有设备来说，计算电能质量参数需要大量的计算。此外，能够满足不同电源质量参数的精度要求也很重要，正如本设计中的做法，这种要求是可以通过采用独立式 ADC 和单独主机 MCU 或 MPU 器件来充分满足的。
电能质量监测仪和电能质量分析仪通常测量的两个参数是电压谐波和电流谐波。系统设计人员需要实现相干采样，以实现最准确的谐波计算。实施相干采样的一种方法是，根据市电频率改变采样时钟。本设计中的独立式 ADC 能够接受变化时钟，因此本设计可以支持相干采样。虽然本设计中独立式 ADC 的时钟可以变化，但本设计不支持相干采样，原因是无法以适当的精细分辨率改变从主机 MCU 到独立式 ADC 的采样时钟。
