數(shù)據(jù)中心的電源會實時測量輸入功率并將測量結(jié)果報告給主機，這就是所謂的電表計量(電子計量)。過去十年來，電子計量已成為電源裝置的常見要求，因為它為數(shù)據(jù)中心帶來了以下優(yōu)勢 ：
· 識別異常低或高的能源使用情況及其潛在原因，支持削峰等做法。
· 促進圍繞空間和電力利用的容量規(guī)劃。
· 幫助跟蹤和管理能源成本;核實能源賬單;并通過提高能源效率和能源管理來確定優(yōu)先次序、驗證并降低能源成本。
· 能夠?qū)?shù)據(jù)中心的性能進行定量評估，并在公平的競爭環(huán)境中對該性能進行基準(zhǔn)測試。
· 幫助制定和驗證能源效率戰(zhàn)略，并通過降低能源和運營成本來發(fā)現(xiàn)提高能源效率的機會。
· 調(diào)試和檢測物理系統(tǒng)中的故障并診斷其原因。
出于所有這些原因，電子測量儀必須非常準(zhǔn)確。圖 1顯示了模塊化硬件系統(tǒng) - 通用冗余電源 (M-CRPS) 電子測量儀的精度要求 ，要求當(dāng)負(fù)載大于 125 W 時，輸入功率測量誤差在 ±1% 以內(nèi);當(dāng)負(fù)載在 50 W 至 125 W 之間時，輸入功率測量誤差在 ±1.25 W 以內(nèi);當(dāng)負(fù)載低于 50 W 時，輸入功率測量誤差在 ±5 W 以內(nèi)。
圖 1 M-CRPS 電子表精度規(guī)范要求輸入功率測量誤差：當(dāng)負(fù)載大于 125 W 時，誤差在 ±1% 以內(nèi);當(dāng)負(fù)載在 50 W 至 125 W 之間時，誤差在 ±1.25 W 以內(nèi);當(dāng)負(fù)載低于 50 W 時，誤差在 ±5 W 以內(nèi)。
為了實現(xiàn)如此高的測量精度，傳統(tǒng)上電子計量功能是通過專用計量裝置 來實現(xiàn)的，如圖2所示。功率因數(shù)校正 (PFC) 輸入側(cè)的分流器可感測輸入電流，跨交流線和交流中性線的分壓器(圖 2 中未顯示)可感測輸入電壓。專用計量裝置接收此電流和電壓信息，并計算輸入功率和輸入均方根 (RMS) 電流信息，并將結(jié)果發(fā)送到主機。
圖 2傳統(tǒng)電子表和 PFC 控制配置，其中：分流器放置在 PFC 輸入側(cè)以感測輸入電流，分壓器(未顯示)感測交流線，交流中性線感測輸入電壓。
為了控制 PFC 輸入電流，需要使用另一個電流傳感器(如圖 2 所示的霍爾效應(yīng)傳感器)來感測輸入電流，然后將輸入電流信息發(fā)送到 MCU 以進行 PFC 電流環(huán)路控制。但是，霍爾效應(yīng)傳感器和專用計量裝置都很昂貴。
在本電源技巧中，我將討論一種低成本但高精度的電子測量儀解決方案，該解決方案使用單個電流傳感器進行電子測量和 PFC 電流環(huán)路控制。將電子測量儀功能集成到 PFC 控制代碼中，無需使用專用的測量設(shè)備，不僅降低了系統(tǒng)成本，還簡化了印刷電路板 (PCB) 布局并加快了設(shè)計過程。
電子電表解決方案
圖 3顯示了建議的電子儀表配置。電流分流器感應(yīng)輸入電流;隔離式 delta-sigma 調(diào)制器 AMC1306 測量電流分流器兩端的壓降。delta-sigma 調(diào)制器輸出被發(fā)送到 PFC 控制器 MCU。此電流信息將用于電子計量和 PFC 電流環(huán)路控制。分壓器感應(yīng)輸入電壓，然后由 MCU 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 直接測量，就像在傳統(tǒng) PFC 控制中一樣。
圖 3新型電子計量表和 PFC 控制配置，其中：電流分流器感應(yīng)輸入電流，隔離式 delta-sigma 調(diào)制器測量分流器兩端的電壓降，調(diào)制器的輸出用于電子計量和 PFC 電流環(huán)路控制。
Δ-Σ 調(diào)制器
與幾乎所有數(shù)字 PFC 控制器 MCU 使用的逐次逼近寄存器 (SAR) 型 ADC 相比，delta-sigma 調(diào)制器可以提供高分辨率數(shù)據(jù)。調(diào)制器以極高的速率對輸入信號進行采樣，以產(chǎn)生 1 位代碼流，如圖4所示。
圖 4 Delta-sigma 調(diào)制器輸入和輸出;較高的正輸入信號在輸出端產(chǎn)生 1 的時間百分比較高，而較低的負(fù)輸入信號在輸出端產(chǎn)生 1 的時間百分比較低。
1 與 0 的比率表示輸入模擬電壓。例如，如果輸入信號為 0 V，則輸出 50% 的時間是 1。較高的正輸入信號產(chǎn)生 1 的時間百分比較高，而較低的負(fù)輸入信號產(chǎn)生 1 的時間百分比較低。與大多數(shù)量化器不同，delta-sigma 調(diào)制器將量化噪聲推向更高的頻率 ，使其適合高精度測量。
Delta-sigma 數(shù)字濾波器
C2000 MCU 具有內(nèi)置 delta-sigma 數(shù)字濾波器，可解碼 1 位流。濾波器輸出的有效位數(shù) (ENOB) 取決于濾波器類型、過采樣率 (OSR) 和 delta-sigma 調(diào)制器頻率 。通常，對于給定的濾波器類型，OSR 越高，ENOB 就越高;然而，代價是濾波器延遲增加。
通過研究最佳速度與分辨率之間的權(quán)衡，選擇正確的濾波器配置非常重要。對于 PFC 電流環(huán)路控制，較短的延遲更為重要，因為它可以幫助增加控制環(huán)路相位裕度并降低總電流諧波失真。另一方面，高分辨率電流數(shù)據(jù)對于實現(xiàn)電子計量的高精度是必不可少的。為此，這里提出的解決方案使用兩個 delta-sigma 數(shù)字濾波器：一個配置為高速但分辨率相對較低，用于 PFC 電流環(huán)路控制;另一個配置為高分辨率但速度相對較低，用于電子計量;見圖5。
圖 5建議的 delta-sigma 濾波器配置使用兩個濾波器：一個用于 PFC 電流環(huán)路控制，速度高但分辨率低;另一個用于電子計量，速度低但分辨率高。
固件結(jié)構(gòu)
圖6是固件結(jié)構(gòu)，它由三個循環(huán)組成：
· 主循環(huán)用于緩慢且非時間關(guān)鍵的任務(wù)。
· 以 100 kHz 運行的快速中斷服務(wù)程序 (IRS1)，用于 ADC、delta-sigma 數(shù)據(jù)讀取和電流環(huán)路控制。
· 運行速度較慢的 ISR2 為 10 kHz，用于電壓環(huán)路控制和電子表計算。
由于電子表計算在 ISR2 中，因此它對 PFC 電流環(huán)路沒有影響。使用此結(jié)構(gòu)將電子表功能集成到 PFC 控制代碼中不會影響 PFC 性能。
圖 6固件結(jié)構(gòu)由三個循環(huán)組成：用于低時間關(guān)鍵任務(wù)的主循環(huán);用于 ADC、delta-sigma 數(shù)據(jù)讀取和電流環(huán)路控制的 100 kHz IRS1 循環(huán);以及用于電壓環(huán)路控制和電子儀表計算的 10 kHz ISR2 循環(huán)。
電子儀表計算
現(xiàn)在有了輸入電流數(shù)據(jù)(通過 delta-sigma 調(diào)制器)和輸入電壓數(shù)據(jù)(通過 MCU 的 ADC)，是時候進行電表計算了。公式 1 計算輸入電壓 RMS 值：
其中，V in (n) 是 ADC 樣本數(shù)據(jù)中的V ，N 是一個 AC 周期內(nèi) ADC 樣本的總數(shù)。
輸入電流RMS值計算包含兩步，第一步計算測量電流(電感電流)RMS值，如公式2所示：
其中，I in (n) 是 delta-sigma 數(shù)字濾波器輸出。
回到圖 3，由于分流電阻器位于 EMI 濾波器之后，因此無法測量 EMI 濾波器的 X 電容引起的無功電流。因此，公式 2 不代表總輸入電流。這種情況在高線電壓和輕負(fù)載下會惡化，此時無功電流不可忽略;準(zhǔn)確的輸入電流報告需要將其包括在內(nèi)。
為了計算 EMI 電容器的無功電流，首先需要知道輸入電壓頻率。ADC 測量交流線路和中性電壓;比較線路和中性電壓值將找到零交叉點。由于輸入電壓以固定速率采樣，因此可以通過計算兩個連續(xù)零交叉點之間的樣本數(shù)來計算交流頻率。一旦您知道輸入電壓頻率，公式 3 就會計算 EMI 電容器的無功電流：
其中 C 是 EMI 濾波器的總電容，f 是輸入交流電壓頻率。
I EMI是超前測量電流 (I L ) 90 度的無功電流;因此，公式 4 可計算出總輸入電流：
輸入功率計算也包括兩個步驟。首先，計算測量功率，如公式5所示：
由于輸入電壓是在 EMI 濾波器之后測量的，因此無法測量 EMI 濾波器引起的功率損耗。雖然這種功率損耗通常很小，但對于需要極其精確測量的應(yīng)用，您可能需要將其包括在內(nèi)。
EMI 濾波器的總直流電阻為 R。公式 6 計算 EMI 濾波器上的功率損耗：
最后，將 EMI 濾波器功率損耗添加到測量功率中，即可獲得總輸入功率(公式 7)：
測試結(jié)果
我在 3.6 kW(低壓線為 1.8 kW)圖騰柱無橋 PFC 中實現(xiàn)了所提出的電子測量儀功能。圖 7、圖 8和圖 9分別顯示了低壓線、高壓線和直流輸入下的測試結(jié)果。此實現(xiàn)實現(xiàn)了 <0.5% 的測量誤差，比 M-CRPS 電子測量儀規(guī)格好兩倍。此外，該實現(xiàn)僅使用 1 點校準(zhǔn)，這大大減少了校準(zhǔn)時間和成本。
圖 7 1.8 kW 低壓線的電子表測試結(jié)果，Vin 設(shè)置為 115 VAC，顯示電子表精度遠(yuǎn)高于 M-CRPS 精度規(guī)格。
圖 8： 3.6 kW 高線的電子表測試結(jié)果，Vin 設(shè)置為 230 VAC，顯示電子表精度遠(yuǎn)高于 M-CRPS 精度規(guī)格。
圖 9直流輸入的電子表測試結(jié)果顯示，電子表精度遠(yuǎn)高于 M-CRPS 精度規(guī)格。
低成本、高精度電子儀表
本文介紹了一種低成本、高精度的電子儀表解決方案：隔離式 delta-sigma 調(diào)制器測量輸入電流，然后將其發(fā)送到 MCU 進行電子計量和 PFC 電流環(huán)路控制。該解決方案僅需 1 點校準(zhǔn)即可實現(xiàn)出色的測量精度。與傳統(tǒng)的電子儀表解決方案相比，它不僅節(jié)省了成本，還簡化了 PCB 布局并加快了設(shè)計過程。
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