隔离式ADC架构利用分流电阻进行三相电能计量

图4. 新型ADC架构包括双通道ADC、数据隔离和一个隔离式DC-DC转换器

芯片级变压器的核心是空气，因此iCoupler数字隔离器和isoPower隔离式DC-DC转换器根本不受永磁体的影响，使得电表这一侧完全不受直流磁场干扰。这种变压器对交流磁场同样具有高抗扰度。线圈面积非常小，要影响isoPower线圈运行，必须产生一个10 kHz、2.8 T的磁场。换言之，为了影响芯片级变压器的行为，必须让69 kA的10 kHz电流通过一根导线，并让该导线与芯片相隔5 mm。

信息利用极高频PWM脉冲传输到隔离栅另一侧。由此产生的高频电流会在电路板中传播，引起边沿和偶极子辐射。隔离式DC-DC转换器的负载仅由sigma-delta ADC的第一级构成，其幅度是已知的。因此，线圈是针对已知负载进行设计，从而可以降低一般与DC-DC转换器相关的辐射，并且无需四层电路板。使用这种架构的IC时，电表制造商可以使用两层电路板，并通过所需的CISPR 22 Class B标准。

为使与MCU的接口尽可能简单，芯片的数字模块对来自第一级的位流进行滤波，并通过简单的从机SPI串行端口提供24位ADC输出。电表每一相都有一个隔离式ADC，因此获得一致ADC输出的挑战仍未解决。如果采用同一时钟工作，则所有相上的ADC第一级可以在同一时刻采样。如果图4中的CLKIN信号产生自MCU，则这很容易实现。另一个方案是使用一个晶振为一个芯片产生时钟，然后利用缓冲CLKOUT信号为所有其它隔离式ADC提供时钟。控制所有隔离式ADC以在同一时刻产生ADC输出。现在，电表就能利用分流电阻检测电流，执行精确、全面的三相分析。

图5显示一款采用三个隔离式ADC的三相电表。该电表仅有一个电源为MCU和隔离式ADC供电。MCU利用SPI接口从各IC读取ADC输出。

图5. 采用新型隔离式ADC的三相电表

上面的说明假设利用外部MCU执行计量计算。对于希望解决方案包括计量计算的电表制造商，可以将隔离式ADC耦合到一个IC以执行所有计量计算，如图6所示。

图6. 采用新型隔离式ADC和计量IC的三相电表

基于此架构的新产品

此架构已被ADI公司的一系列新产品采用：ADE7913、ADE7912、ADE7933和ADE7932。图7显示了ADE7913的框图。它与图4非常相似，但有一个额外ADC通道用于检测与温度传感器复用的辅助电压。该辅助电压可以是断路器上的电压，温度传感器可用于校正分流电阻的温度变化。ADE7912是一个变体，无辅助电压测量功能，但有温度传感器。

ADE7933和ADE7932将SPI接口替换为位流接口，其余特性分别与ADE7913和ADE7912相同。它们就是图6所示的隔离式ADC。图中的计量IC已通过ADE7978实现。

图7. 基于此架构的新型ADE7913隔离式ADC

结束语

本文说明了一种新型隔离式ADC架构。它包含一个isoPower隔离式DC-DC转换器，利用MCU电源为隔离栅另一侧的多通道sigma delta ADC第一级供电。ADC输出的位流经过iCoupler数据隔离器，由数字模块接收。此模块对其进行滤波，产生24位ADC输出，可利用简单的SPI接口读取。一个ADC可以测量经过一个分流电阻的电流，第二个ADC可以利用分压器测量相至零线电压，第三个ADC可以测量辅助电压或温度传感器。它支持三相电表使用分流电阻，确保完全不受直流和交流磁场干扰，执行电流检测时不会产生任何相移，同时可降低系统总成本。小尺寸解决方案确保电路板非常小，只需安装非常少的器件。集成式isoPower芯片级变压器针对已知ADC负载而设计，辐射降至最低，并通过测试，利用两层电路板即可达到CISPR 22 Class B标准。

当然，使用分流电阻的电流检测并不局限于电能计量应用，电能质量监控、太阳能逆变器、过程监控和保护设备均可受益于这种新型ADC架构。