宽量程电能计量技术及其应用

摘要：本文着重介绍基于霍尔效应电能计量集成芯片的宽量程电能计量技术原理、性能、特点及其在小型工商业电能表设计中的应用。

关键词：霍尔效应测量技术 宽量程 防窃电 小型工商业三相电能表

目前，国际上常见的三相电能表的计量部分的设计方法主要可以归纳为三种：

（1）采用单个或三个通用计量芯片，如ADI、SAMES，TDK、Cirrus、ATMEL等公司的计量器件。是目前中低端电能表比较常用的计量核心，

（2）采用4/6路同步采样12位或16位ADC与RISC技术的MCU或DSP配套的软件实时处理计量技术。如采用AD73360AR，AD7874等模数转换器件与PIC17/18或AVR系列RISC指令单片机等组成的测量系统，这在多功能表部分的应用比较普及，而更复杂的基于DSP数字信号处理器（如TI的TMS320系列与ADI的ADSP219x等）的电能表主要应用于高精度关口计量。

（3）采用电能表生产商独立开发的ASIC专用计量芯片。如兰吉尔开发的宽量程计量芯片（以下简称MESA）。

采用通用计量芯片的电能表由于受器件自身的功能限制，通常在无功电能计量、谐波电能分析与计量、电能质量监测等方面的功能比较弱，但由于这类器件在有功电能计量方面具有技术成熟、运行稳定、二次开发容易等特点，在中低端的0.5S、1.0、2.0级产品中获得了广泛应用。

　　采用模数转换与微处理器技术的电能表，由于软件功能灵活性大，是多功能电表的主流技术，其中采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器的电表，由于对电测量信号的处理速度快（可达到1亿次/秒以上），内存容量大，可以得到更多的实时电能参数（如瞬时电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、谐波分量）等。但是，由于不同厂商研发能力的差异，往往不容易验证其内部各种算法的合理性、可靠性、适应性等。特别是对整数次谐波分量和非整数次谐波分量的处理方法，无功电能处理的方法，以及包括次谐波在内的谐波影响的处理方法方面，目前还没有统一的标准来规范。此外，采用这种技术的电表，其功耗、起动时间等也比其他技术的表略大一些。

　　近年来，兰吉尔开发的新一代宽量程计量专用ASIC混合测量器件MESA就是一种非常成熟的电能计量器件，它将先进的计量方法与集成电路设计技术完美地结合起来，用它设计的小型工商业电能表具有12~25倍的宽量程。

1 宽量程计量技术基础

　　将通有电流 I 的金属板（或半导体板）置于磁感强度为 B 的均匀磁场中，磁场的方向和电流方向垂直（如图1，略，详见《电工仪表与公用表计》行业信息第3期），电子在均匀磁场B中受洛伦兹力的作用而发生偏转，在上下两侧表面分别聚积正、负电荷，形成电势差 ，该现象称为霍尔效应^[1]。

　　经实验测定，霍尔电势差的大小和电流 I 及磁感强度B成正比，而与板的厚度d 成反比。霍尔电势差可U_H定量地表示为：

U_H = R_H I B/d （1）

式中：R_H称为材料性质有关的霍尔系数，其值为。这里n、q分别为载流子数密度和载流子的电荷量。
　在金属导体中，自由电子的浓度大，故金属导体的霍尔系数很小，相应的霍尔电势差也就很弱，即霍尔效应不明显。
在半导体中，载流子浓度很低，故半导体的霍尔系数比金属导体大得多，即半导体能产生很强的霍尔效应。

根据霍尔效应的特点，让恒流源I通过均匀厚度的半导体PN结，将待测量的电信号i（如相电流信号Ia、Ib、/Ic）转化为磁场强度信号B，通过测量U_H的电位值，可以建立起下列线性关系：

U_H = k_H · i （2）

其中：k_H为材料性质有关的系数，i为被测量的电参数信号（如相电流信号Ia、Ib、Ic）。与采用电流互感器（CT）的常规测量相比，霍尔效应电流传感器具有以下显著优点：

（1）测量电流范围大，动态范围宽，且大电流不会使传感器饱和；

（2）输出线性度高，精度高，带宽高(DC～5MHz)，可測直流分量；

（3）高测量增益，使器件误差对产品性能影响很小；

（4）输入阻抗大，电流回路损耗低；

（5）输入输出信号之间的角差小。

在实际应用中，影响半导体霍尔效应器件的精确度的主要因素有：

（1）杂散磁场的影响；

（2）材料的几何尺寸（如厚度）的均匀性；

（3）材料的物理性质（如半导体内杂质分布）的均匀性；

（4）温度漂移；

（5）时间漂移。

　　尽管人们早在1879年就知道了霍尔效应，但直到20世纪60年代末期，随着固态电子技术的发展，霍尔效应才开始被人们所应用。

　　由于霍尔器件一般由半导体制作，而半导体的加工制作工艺复杂，不容易做到几何尺寸的均匀性和材料性质的一致性，加上半导体本身的温度漂移和时间漂移等特性一直难以有效地补偿，所以直到上个世纪末，霍尔效应还不太适宜用于定量测量磁场强度的大小，当然也更难用于电流或功率信号的精密测量。但霍尔器件在定性测量方面，特别是用于非接触式位移测量的霍尔接近开关，在航空航天、汽车、数控机床、手机等行业获得了极为广泛的应用。

CMOS技术的快速发展，使制造具有成本低、质量好、性能可靠、体积小等多种优点的实用型高精度霍尔传感器（如磁场强度传感器、电流传感器、位移传感器、速度传感器等）成为可能。

　　瑞士兰吉尔公司开发的专用集成电路MESA就是一款基于霍尔效应测量原理的实用化的电能计量芯片。它将先进的电能测量算法和霍尔传感器完美地结合成ASIC器件。

　　如图2（略，详见《电工仪表与公用表计》行业信息第3期）所示，MESA的内部分成三个功能块：测量单元、数字信号处理（DSP）单元和接口电路。
1.2.1测量单元

测量单元内集成了霍尔传感器、信号调理器、Σ-Δ原理的16位ADC、三阶SINC滤波器、偏置补偿电路、基准电压源、可编程电流/电压延迟电路、直流分流消除电路等功能：

（1） 传感器及前段处理电路包含霍尔传感器、信号调理器和恒流源电路，它除了集成的霍尔效应电路以外，既可以接收普通电流互感器信号，也能接收锰铜分流器信号。对于非霍尔效应方式的传感器信号，从SH+和SH-两个脚上输入。

（2） ∑/∆ 模数转换器 片上集成了二阶Σ-ΔADC模块，进行采样。

（3） 可变程电压/电流信号延时电路 用于补偿电流互感器、电压互感器、外接分流器等导致的信号角差。

（4） 偏置补偿电路 该电路用于系统偏置（一般由运算放大器、传感器等模拟电路引起），不能消除直流分量，以便测量直流电流分量的需要。

（5） 三阶SINC滤波器 用于将高过采样速率的Σ-ΔADC结果降低到需要的采样速率。

（6） DC分量消除电路 它属于传输速度比较低的一阶高通滤波器，用于将电压和电流回路中剩余的直流分量剔除掉，这样一来，可以进一步将系统偏置和角差降低到极低程度。

1.1.2数字信号处理（DSP）单元

　　数字信号处理（DSP）单元集成了数字乘法器、均方根运算、电能积算单元、延时滤波（Hilbert）等功能，用于实现电流、电压、有功电能、无功电能、功率因数、频率、相角等电能参数的实时处理。

（1） 电能计算用硬件乘法累加器 为16位×16位硬件乘法器和一个能够连续累积最大功率P_max时的乘积至少250ms的累加器，有可供检测的溢出信号。正是由于内部宽大的数据乘法累加器，使宽量程计量才有可能。

（2） V_RMS/I_RMS计算用硬件乘法器 为低速乘法计算器，用于计算电压、电流的有效值。其计算速度与器件的输入时钟CLK有关。例如，在CLK=500kHz时，输出速度为270Hz。

（3） 精度校正 用于标定测量结果，保证测量值与实际值对应。

1.2.3接口电路

　　接口电路包括工作电源、电源监测与上电复位、SPI接口等部分。

（1）片内集成霍尔效应电流传感器；

（2）支持外部分流器型或电流互感器（CT）型信号输入；

（3）片内集成霍尔常数温度补偿电路；

（4）片内集成电压基准；

（5）低噪声前置放大器；

（6）偏置消除电路；

（7）基于过采样原理和奈奎斯特定律的高速Σ-Δ ADC模块；

（8）片内集成硬件乘法器和特宽位数的累加器；

（9）复位与电流失效监测；

（10）SPI串行通讯接口，方便与微处理器相连；

（11）单电源（+5V）电源供电；

（12）工作温度范围宽（-25℃~55℃）。

　　MESA采用的是二阶∑-∆ 模数转换器。与其相关的下述几个采样率定义对于分析芯片的频率响应特性有帮助：

输入采样率：A/D转换器输入端的采样率（比实际需要的采样率高得多），由∑-∆ 模数转换器的特性决定，它等于MESA的输入时钟频率f_CLK（也可以编程设置为1/4 f_CLK）。

数据采样率：即A/D转换器输出端的数据速率。根据耐奎斯特定律，这一采样率决定了待测量信号的最高频率。

过采样比率：即输入采样率和数据采样率的比值。在MESA中，这个比值固定为128，由此可以确定A/D转换后“真实”的数据有效位。过采样率不可编程设置。

参数输出采样率： 等于“数据采样率”，即MESA的时钟频率f_CLK /128。当f_CLK ＝512kHz时，其值为4kHz。

频率响应：系统的频率响应是由A/D转换器和其后3阶滤波器的传递函数所决定。