此参考设计使用隔离式高性能多通道模数转换器 (ADC) 实现 0.2S 级三相电能测量，此转换器在 4kHz 下对分流电流传感器进行采样，以测量交流电源各相的电流和电压。此参考设计在宽输入电流范围 (0.05A – 100A) 内具有高精度，还支持实现独立谐波分析等电能质量功能所需的更高采样频率。使用 TI Arm® Cortex®-M0+ 主机微控制器计算计量参数时，可支持高达 16ksps 的更高 ADC 采样率。

• 电表三相计量，符合 1000:1 输入范围的 0.2S 级有功电能精度要求
• 支持具有分流的三相四线 (3P4W) 或三相三线 (3P3W) 系统
• 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
• 带板载 XDS110 调试探针的隔离式 USB Type-C® 隔离值为 5kV_RMS，在 100mA 至 100A 输入范围和 100V 至 270V 间进行了测试
• 能够使用线性 3D 霍尔效应传感器检测磁篡改
• 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

• 电表
• 电源品质测定器
• 电能质量分析仪
• 交流充电（桩）站

TIDA-010244 是采用四个 4 通道独立隔离式 AMC131M03 ADC 和具有成本效益的 MSPM0G3507 微控制器 (MCU) 的 0.2S 级高精确度三相并联电表参考设计。此参考设计还可用于在电动汽车充电器和交流壁挂式充电箱等常用产品中进行电能计量。三个隔离式 ADC 中的每一个（每相一个）均感测相应相位 A、B 或 C 上的市电电压和电流，非隔离式 ADC 则用于通过分流器监测中性线的电流。

TIDA-010244 固件专门支持三相电能测量和一条中性线的多种计量参数计算。可以从校准 GUI 或通过连接到参考测试系统的 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

电表和电能质量监测仪是两种常用的系统设计，可实现精确电能测量并符合国际电工委员会 (IEC)、欧洲标准 (EN) 和美国国家标准协会 (ANSI) 标准，具有用于计算最相关计量参数（例如总相位和每相位有功 (kWh)、无功 (kvarh) 和视在能量 (kVAh)）的常见功能。可以计算多相电能测量系统中的多个电能质量参数，包括：

• 每相位电压总谐波失真 (THD)
• 每相位电流 THD
• 相间电压角度
• 每相位过零

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。

一种常用解决方案是使用带有主机微控制器 (MCU) 的独立 ADC，以同时克服电表 SoC 的处理和精度限制。采用这种双芯片方法，系统设计人员可以混搭最适合 ADC 和 MCU 的器件，并优化系统成本或性能。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）
• 能够灵活选择主机 MCU，因为器件仅需只满足应用要求。这些要求包括：
  • 处理能力（以 MIPS 为单位）
  • 最小 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-发射器 (UART) 和 I2C）、DMA 和 CRC 模块，以及其他一些外设，例如用于提供仪表数据完整性和安全性的安全功能

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 可以感测的电压范围。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两条、三条或四条不同线路汲取的电流（在测量中性线时），而不会损坏 ADC。此设计使用 2 个、3 个或 4 个具有成本效益的分流传感器，这些传感器不受磁干扰影响，并支持为具有可选中性线测量功能的三相星形配置实施电表。

除了用于电表外，这种单相或多相 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，满足不同电能质量参数的精度要求也很重要。正如本设计中的做法，对高精度和计算能力的要求是可以通过采用独立式 ADC 和单独主机 MCU 或微处理器单元 (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。实施相干采样，以实现更准确的谐波计算。实施相干采样的一种方法是根据测量的市电频率动态改变采样时钟，从而使采样率精确地保持为线路频率的倍数。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。

图 2-1 展示了基于 MSPM0G3507 和 AMC131M03 的三相电能测量应用方框图。

在每个相位（或线路）上都会直接测量相电压以及每条线路（3 相）的电流和通过 N（中性）引线的电流；因此默认情况下支持 3 相 3 引线 (3P3W) 或 3 相 4 引线及中性线 (3P4W) 配置。由于未使用某些相位，此参考设计还可用于分相型（相位 C 保持断开）或单相（相位 B 和 C 保持断开）配置。在 TIDA-010244 方框图中，分流传感器分别连接到 3 个相位，同时使用简单的分压器来对每条线路的相应电压进行分压，从而进行电流测量。分流器的选择基于电能测量所需的电流范围，同时确保在大电流下尽可能降低分流器内的功率耗散。假设要测量的每相最大电流为 100A 或 120A，则 150μΩ 至 200μΩ 之间的数值较为常见。

在此设计中，四个 AMC131M03 或 AMC131M02 器件通过以下方式与 MSPM0+ MCU 交互：

1. 三个不同的时钟信号馈送到 4 通道输出 LVCMOS 缓冲器 LMK1C1104，以获取 4 个相同的同相时钟信号 CLKIN1 至 CLKIN4，从而确保所有 ADC 运行和收集的数据样本彼此同步。
   1. TI BAW 振荡器 CDC6C 为 LMK1C1104 和 MSPM0G3507 器件提供 8.192MHz 的高精度时钟信号（默认选项）。
   2. 一个外部 16.384MHz 晶体振荡器 (XTAL) 为 MSPM0G3507 HFXIN 和 HFXOUT 引脚供电，并且通过一个 2 分频的内部分压器来创建 8.192MHz 的 M0_CLKOUT 信号（在未安装 TI BAW 时）。随后，M0_CLKOUT 连接到 LMK1C1104 时钟缓冲器。
   3. 来自 MSPM0G3507 的 PWM 信号可提供给时钟缓冲器，以实现评估方面的目的。为了启用 PWM 信号，前述时钟器件之一需要连接到 HFXIN 和 HFXOUT（可选）。
2. LMK1C1104 的 4 个输出馈送到从 CLKIN1 到 CLKIN4 的四个输入引脚（每个 ADC 器件一个）。
3. 在四个 AMC131M03 和 AMC131M02 器件中，每个器件均将 CLKIN 输入进行 2 分频，并将该值用作 Δ-Σ 调制时钟。
4. SPI_SCK（SPU 总线时钟）信号（作为 SPI 控制器的 MCU 的输出）输入到第二个 4 通道输出 LVCMOS 缓冲器 LMK1C1104，以便为 SPI 数据传输获取四个相同的同相时钟信号。
5. 四条 SPI_SCK 线路（SCLK1 至 SCLK4）被馈送到每个 ADC 的 SCLK 输入端，从而确保所有 ADC 都在共享 SPI 总线上同步运行。
6. 使用了四条单独的 CS 线路，这些线路由 MSPM0+ MCU 的 SPI 外设自动生成和控制。
7. 当新的 ADC 样本就绪时，每个 AMC131M03 都会将 DRDY 输出引脚（DRDY1 至 DRDY4）置为有效，从而提醒 MCU 有新的数据样本可用。
8. 检测到 DRDY 下降沿后，MSPM0+ MCU 使用 DMA 模块中的一个 SPI 和两个 DMA 通道，从各 AMC131M0X 器件读入电压和电流样本。四个独立 ADC 同时生成四个 DRDY 信号，但由于 ADC 共享同一个 SPI 总线，MCU 将按顺序读取 ADC。
9. MCU 还通过电路板上 XDS110 调试程序的 USB Type-C 接口或外部 FTDI 连接器与 PC GUI 进行通信。
10. 来自 MCU 的 ACT 和 REACT 输出信号表示用于精确测量和校准的有功和无功电能脉冲。这两个信号都是根据参考表校准电表所需的关键信号。

MSPM0+ MCU 具有内部上电复位 (POR) 以及 POR 和欠压复位 (BOR) 电源监测器，该监测器具有四个可配置的阈值电压。

此参考设计可通过 USB Type-C 连接器或标记的接头施加 5V 电压，或在指定接头引脚上施加 3.3V 电压。有关为电路板供电的正确跳线连接的详细信息，请参阅 节 3.3.2。

USB Type-C 接口可用于对 MSPM0G3507 进行编程和调试。该接口为隔离式，可用于通过 USB 电源向系统提供 5V 供电。如果选择 5V 选项，则 USB Type-C 接口的隔离不会生效。

此参考设计还提供了两种通过蓝牙传输计量参数数据的选项：一种是使用带全无源器件（分立式实施）的 CC2340 蓝牙低耗能子系统，另一种使用基于 CC2340 的蓝牙模块。

图 2-1 基于 MSPM0G3507 和 AMC131M03 的三相电能测量方框图

虽然在该 PCB 上使用了四次 AMC131M03，但如果只需要测量电流和电压，双通道版本 AMC131M02足以满足需求。AMC131M03 中的第三个通道（在 AMC131M02 中未出现）可根据需要支持在分流传感器上进行温度测量。

为电压通道选择的分压电阻器要确保对市电电压进行分压后符合 AMC131M03 器件的正常输入电压范围。该独立式 ADC 具有较大的动态范围，而测量电压时只需较小的范围，因此特意选择了电压前端电路，使 ADC 电压通道输入端的最大电压落在满量程电压范围内。通过降低馈送到 AMC131M03 电压输入通道的电压，电压-电流串扰（对计量精度的实际影响大于对 ADC 电压通道精度的影响）会减小（电压精度也会降低），从而在较低的电流下实现更准确的电能测量。

全球许多地区市电的标称电压为 100V 至 240V，因此需要按比例降低电压，才能被 ADC 检测。图 2-2 显示了用于此电压调节的模拟前端，在 J11 上为 C 相施加电压，每个 A 相和 B 相也使用类似的电路。

图 2-2 电压输入的模拟前端

电压输入的模拟前端有一个分压器网络（R70、R71、R72 和 R69）和一个 RC 低通滤波器（R68、R73、C56、C57）以及 C58，如 图 2-2 中所示。

或者，可以选择添加一个高精度电阻分压器 RES60A (U17)。该电阻分压器以 1000:1 的比率降低电压，是具有 R70、R71、R72 和 R69 的分立式分压器的替代方案。若要使用 RES60A 而不是串联电阻链分压器网络，、请更改以下元件：

• 移除 R69、R70、R71 和 R72
• 放置 R127 (0Ω)
• 放置 RES60A

对 A 相和 B 相执行类似的步骤。

在较小电流下，如果不执行功率偏移量校准，电压-电流串扰对有功电能精度的影响要远大于对电压精度的影响。为了更大限度地提高在较低电流下的精度，在本设计中，电压通道并未使用整个 ADC 范围。即使在该设计中对电压通道使用减小的 ADC 范围，仍可为测量电压提供足够的精度。方程式 1 显示了在给定的市电电压和选定的分压器电阻值下，如何计算馈入 ADC 电压通道的差分电压范围。

根据此公式和 方程式 1 中选定的电阻值，对于 120V 市电电压（在线及中性线间测得），ADC 电压通道输入信号的电压摆幅为 ±128.47mV (90.8mV_RMS)。对于 230V 市电电压（在线及中性线间测得），前端电路的 230V 输入会产生 ±246.23mV (174.11mV_RMS) 的电压摆幅。±128.47mV 和 ±246.23mV 电压范围均完全处于 –1.3V 至 +2.7V 范围内（如果增益= 1，请参阅具有集成式 DC/DC 转换器的 AMC131M03 三通道、64kSPS、同步采样、24 位增强型隔离式 Δ-Σ ADC 数据表的建议运行条件 部分），ADC 可感应电压。

图 2-3 展示了用于电流输入的模拟前端不同于用于电压输入的模拟前端。

来自分流传感器的正极和负极引线连接到接头 J15 的引脚 3 和 2（对于 C 相）。A 相和 B 相使用相同的分压器电路、其中端子块 J13 和 J14 是分流器端子的连接器。

图 2-3 电流输入的模拟前端

电流的模拟前端包括电磁干扰滤波器磁珠占用区（R82、R84 和 R105）、RC 低通滤波器占用区（R83、R85、C65、C66），以及用作抗混叠滤波器的 C67。

方程式 2 显示了如何针对给定最大电流、CT 匝数比和负载电阻值计算馈入电流 ADC 通道的差分电压范围。

方程式 2.

假设分流电阻值为 150μΩ，当施加仪表的最大额定电流（例如 100A）时，电流 ADC 的输入信号的电压摆幅为 ±21,21mV。当使用“增益 = 32”时，该相对较低的电压完全处于 ±37.5mV 的所需满标量程 之内、请参阅具有集成式 DC-DC 转换器的 AMC131M03 3通道、64-kSPS、同步采样、24 位增强型隔离式 Δ-Σ ADC 数据表中的满标量程 表。

此参考设计附带板载 XDS110 仿真器。该仿真器在 MSP432E401Y 器件中实现，该器件包含 UART 转 USB 转换器，还负责对 MSPM0 和 CC2340 低功耗蓝牙器件进行编程。要使用 XDS110 仿真器软件对 MSP432E401Y MCU 器件进行编程，请连接跳线，从而通过 USB Type-C 连接器为电路板和 PC 提供 5V 电压。从 XDS 仿真软件 (EMUPack) 下载 页面将 XDS110 软件下载到 PC 上，然后按照 XDS110 用户指南中的说明刷写 MSP432 MCU。成功刷写器件后，蓝色 LED 3 亮起，并且两个 COM 端口在设备管理器中可见。

要刷写 MSPM0、低功耗蓝牙模块或芯片、请查看专门的章节跳线设置和蓝牙数据传输。