直流能量计量的发展与技术优势

直流能源计量提高了能源计费的准确性

全球各国政府目前正在实施行动计划，以应对减少二氧化碳排放这一长期且复杂的挑战。二氧化碳排放已被确认是气候变化后果的主要原因之一，这推动了对新型高效能源转换技术和改进电池化学的快速需求。 

如今，更高效且环保的能源解决方案的需求日益增长。尽管早期电网开发者发现使用交流电（AC）为世界供电更为方便，但直流电（DC）在许多领域能显著提高效率。直流电能计量的应用十分广泛，其中电动车直流充电站有望成为一个关键的发展方向。

近年来，人们在提高电池容量和使用寿命方面投入了大量努力，同时还部署了广泛的电动汽车充电网络。这个网络对于消除人们对续航里程或充电时间的担忧至关重要，从而实现舒适的长途旅行。许多能源供应商和私人企业正在部署容量高达150 kW的快速充电器，同时公众对每个充电站最高可达500 kW的超快速充电器也表现出浓厚兴趣。鉴于超快速充电站的本地充电峰值功率达到兆瓦级，以及与之相关的快速充电能源溢价费率，电动汽车充电势必成为电能交换的一个重要市场，从而需要准确的能源计量技术以用于计费目的。

直流配电的另一个重要应用是微电网，它实际上是公共电力系统的小型版本，需要安全、可靠和高效的电力来源。微电网被用于诸如医院和军事基地等场所，甚至可能作为公共系统的一部分运行，通过可再生能源发电、燃料发电机和储能装置的结合，共同构建一个可靠的能源分配系统。

微电网也被应用于建筑结构中，通过广泛使用可再生能源发电机使建筑能够实现电力自给自足。通过屋顶太阳能电池板和小型风力涡轮机产生的能源，足以支持独立运行，同时仍可从公共电网获得支持。

由直流电供电的数据中心是另一个重要的应用领域。数据中心运营商正在积极考虑各种技术和解决方案，以提高设施的电力效率，因为电力是他们的主要成本之一。

数据中心运营商正在认识到直流配电所带来的优势，这不仅减少了交流 (AC) 和直流 (DC) 之间的转换需求，同时还更容易且更高效地与可再生能源进行整合。通过实现5%至25%的节能，可以提高传输和转换效率，减少热量生成，同时增强可靠性和可用性两倍，并将所需的地面空间减少33%。随着许多运营商采用基于电力消耗的测量方法向客户收费，精准的直流能量计量正变得越来越重要。

电能计量需要具备检测故障和窃电的能力

在20世纪早期，传统的交流电表完全是机电式的。它们利用电压线圈和电流线圈的组合在旋转的铝盘上感应涡流。由于电压线圈和电流线圈所产生的磁通量之积，作用在铝盘上的扭矩与耗电量成正比。最后，在铝盘上添加了一个制动磁体，以确保转速与实际耗电量直接成正比。通过在一段时间内计算转动次数，可以测量电力消耗。

现代交流电表更加复杂和精确，还能够防止窃电。先进的智能电表可以全天候监测其绝对精确性，并检测现场的窃电迹象。无论是现代电表、传统电表、交流电表还是直流电表，它们都是根据其千瓦时脉冲常数和百分比精确度等级进行分类的。

为了测量负载消耗的功率（P = V × I），至少需要一个电流传感器和一个电压传感器。通常，当低压侧接地时，高压侧通过电表的电流会被测量。这种配置可以最大程度地减少未测量的漏电流风险。然而，如果设计架构要求，也可以在低压侧测量电流，或者同时测量两侧的电流。这种技术通常涉及测量和比较负载两侧的电流，以实现电表的故障检测和防篡改功能。当同时测量两侧电流时，至少需要一个具有隔离功能的电流传感器，以应对导体之间的高电位差。

电压通常使用电阻分压器进行测量，通过一系列电阻将电压按比例降低到与系统的ADC输入兼容的水平。由于输入信号幅度较大，使用标准元件可以轻松实现精确的电压测量。然而，为了确保在整个温度范围内达到所需的精确度，必须考虑所选元件的温度系数和电压系数。

提供具有超低输入电流的高速ADC

在直流能量计量应用中，ADI的AD7779、AD8629和ADA4528-1发挥了重要作用。其中，AD7779是一款8通道同时采样的ADC，集成了8个完整的Σ-Δ ADC。在AD7779中，具有超低输入电流，可直接连接到传感器。每个输入通道都包括一个可编程增益阶段，增益为1、2、4和8，能够将低幅传感器输出映射到ADC输入的满量程范围，从而最大化信号链的动态范围。AD7779支持1 V到3.6 V的参考电压（VREF）。模拟输入接受单极性（0 V至VREF/GAIN）或真正双极性（±VREF/GAIN/2 V）的模拟输入信号，模拟供电电压为3.3 V或±1.65 V。模拟输入可配置为接受真正差分、准差分或单端信号，以匹配不同传感器输出配置。

每个通道都包括一个ADC调制器和一个低延迟的sinc3数字滤波器。AD7779利用SRC实现输出数据速率（ODR）的精细分辨率控制。这种控制对于需要在电源频率变化0.01 Hz时仍能保持一致性的应用非常有用。SRC可以通过串行外设接口（SPI）进行编程。AD7779支持两种不同的接口：数据输出接口和SPI控制接口。ADC数据输出接口专用于将AD7779的ADC转换结果发送到处理器。SPI接口用于配置AD7779的配置寄存器以进行读/写操作，以及控制和读取SAR ADC的数据。SPI接口还可以配置为输出Σ-Δ转换数据。

AD7779 配备一个 12 位 SAR ADC，可在 AD7779 内部用于诊断，从而无需专门为系统测量功能分配一个 Σ-Δ ADC 通道。通过外部多路复用器（使用 3 个通用输入/输出 GPIO 引脚控制）和信号调理，SAR ADC 可用于在需要功能安全性的应用中验证 Σ-Δ ADC 的测量结果。此外，AD7779 的 SAR ADC 包含一个多路复用器，可用于感应内部节点。

AD7779 集成了一个 2.5 V 的参考电压源和参考缓冲器。参考电压源的温度系数为 10 ppm/°C（典型值）。AD7779 支持两种模式操作：高分辨率模式和低功耗模式。高分辨率模式在每通道功耗为 10.75 mW 时提供更高的动态范围，而低功耗模式则在每通道功耗为 3.37 mW 的条件下以较低的动态范围规范运行。AD7779 的额定工作温度范围为 -40°C 至 +105°C，最大设备工作温度为 +125°C。

具有超低噪声、漂移和电流特性的放大器

ADI 的 AD8629 放大器具有超低偏移、漂移和偏置电流，使其成为精密应用的理想选择。它是一款宽带、自动调零的放大器，具有轨到轨的输入和输出摆幅能力，以及低噪声特性。AD8629 可在 2.7 V 至 5 V 的单电源电压（或 ±1.35 V 至 ±2.5 V 的双电源电压）下工作。

AD8629 提供了此前仅在昂贵的自零或斩波稳定放大器中才能找到的优势。这些零漂移放大器采用 ADI 的电路拓扑结构，将低成本与高精度和低噪声性能相结合，同时无需使用外部电容器。此外，AD8629 显著降低了许多斩波稳定放大器中存在的数字切换噪声。

AD8629的偏置电压仅为1 µV，偏置电压漂移小于0.005 µV/°C，噪声仅为0.5 µV峰峰值（0 Hz到10 Hz），非常适合不容许误差源的应用。这些器件在其工作温度范围内表现出近乎零漂移，非常有利于位置和压力传感器、医疗设备以及应变计放大器等应用。许多系统能够从AD8629的轨到轨输入和输出摆幅的能力中受益，从而减少输入偏置的复杂性并实现更高的信噪比。

AD8629 的额定温度范围为 -40°C 至 +125°C，覆盖了工业温度范围。它有标准的 8 引脚窄体 SOIC 和 MSOP 塑料封装可供选择。

ADI 的另一款放大器 ADA4528 是一款超低噪声、零漂移运算放大器，具有轨到轨输入和输出摆幅能力。它的偏置电压为 2.5 µV，偏置电压漂移为 0.015 µV/°C，噪声为 97 µV 峰峰值（0.1 Hz 至 10 Hz，AV = +100），非常适合不允许存在误差源的应用场景。

ADA4528 的工作电源电压范围为 2.2 V 至 5.5 V，具有高增益、优异的共模抑制比 (CMRR) 和电源抑制比 (PSRR) 指标，使其成为在位置和压力传感器、应变计、医疗仪器等应用中对低电平信号进行精密放大的理想选择。

ADA4528的额定温度范围为-40°C至+125°C，涵盖工业温度范围。ADA4528-1提供8引脚的MSOP封装和8引脚的LFCSP封装，而ADA4528-2则提供8引脚的MSOP封装。

ADA4528 的最大偏置电压为 2.5 µV，最大偏置电压漂移为 0.015 µV/°C，非常适合为小电流信号提供超低漂移的 100 V/V 放大。因此，它可以直接连接到像 AD7779 这样同步采样、24 位 ADC 的放大阶段，AD7779 的输入参考漂移为 5 nV/℃。使用一个具有 1000:1 比例的电阻分压器直接连接到 AD7779 ADC 的输入端，即可实现高直流电压的精确测量。

结论

直流电能计量相比交流电能计量具有更高的精确性。在快速增长的市场中，如充电站、微电网、数据中心以及其他应用场景，直流电能计量能够提供公平的计费，并减少交流与直流之间的转换需求，从而最大限度地降低能源损耗。与可再生能源的整合也因直流计量变得更加轻松和高效，这使得直流计量成为发展的重要趋势。ADI作为精密感测技术领域的行业领先专家，提供完整的信号链解决方案，用于精确的电流和电压测量，以满足严格的标准。本文中提到的产品是直流电能计量应用的一些最佳选择。