直流能源计量的开发与技术优势

直流能源计量提高能源计费的准确性

全球各国政府当前正在实施行动计划，以应对减少CO2排放这一长期且复杂的挑战。CO2排放已被确定为气候变化后果的主要因素，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，人们对更高效且环保的能源解决方案的需求日益增长。尽管早期的电网开发者发现向世界提供交流电（AC）更为容易，但直流电（DC）在许多领域显著提高了效率。直流能源计量应用领域广泛，电动车直流充电站正成为一个重要的发展方向。

近年来，为了提高电池容量和寿命，同时部署广泛的电动车充电网络，已经付出了显著的努力。这个网络对于消除驾驶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，而公众也对每个充电站功率可达500 kW的超快速充电器产生了兴趣。鉴于在超快速充电站本地充电峰值功率达到兆瓦级以及相关的快速充电能源溢价率，电动车充电有望成为电能交换的一个重要市场，这对计费目的的能源计量的准确性提出了要求。

直流分配的另一个重要应用是微电网，它本质上是公共电力系统的小型版本，要求具备安全、可靠且高效的电源。微电网被应用于诸如医院和军事基地等场景，并且在可再生能源发电、燃料发电机以及能源存储共同构建可靠能源分配系统的情况下，甚至可以作为公共系统的一部分运行。

微电网也被用于建筑结构中，广泛使用可再生能源发电机使建筑能够自给电力。通过屋顶太阳能板和小型风力涡轮机生成的能源，足以实现独立运行，同时仍可从公共电网提供支持。

由直流供电的数据中心是另一个重要的应用。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）与直流（DC）之间的最小转换需求，还简化了与可再生能源的集成，使其更便捷高效。实现5%到25%的能源节省可以提高传输和转换效率，减少热量产生，并将可靠性和可用性提高两倍，同时减少33%的占地面积。由于许多运营商采用基于电力消耗的测量方法来向客户计费，精确的直流能源计量变得越来越重要。

电能计量需要具备检测故障和窃电的能力

在20世纪初，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，在旋转的铝盘中感应涡流。由于电压线圈和电流线圈产生的磁通量的乘积，在铝盘上产生的转矩与电力消耗成正比。最后，在铝盘上添加了一个制动磁铁，以确保旋转速度与实际消耗的功率直接成正比。通过在一段时间内计数旋转的次数，可以测量电力消耗。

现代交流电表更加复杂且准确，还可以防止窃电。高级智能电表能够监测其绝对精度，并全天候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度等级进行分类的。

要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，高压侧的电流通过电表进行测量。这种配置可以最大程度地减少未测量泄漏电流的风险。然而，如果设计架构需要，也可以在低压侧测量电流，或者可以对两侧进行测量。该技术通常涉及测量并比较负载两侧的电流，以实现电表中的故障检测和防篡改检测功能。在对两侧的电流进行测量时，至少需要一个具有隔离功能的电流传感器来处理导体之间的高电势。

电压通常使用电阻分压器进行测量，通过一组电阻将电压按比例降低到与系统ADC输入兼容的水平。由于输入信号幅值较大，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保持所需的精度，需要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 ADC，集成了 8 个全 Σ-Δ ADC。AD7779 具有超低输入电流的特点，可以直接连接传感器。每个输入通道都包括一个可编程增益级，其增益为 1、2、4 和 8，能够将低幅度的传感器输出映射到满量程的 ADC 输入范围，从而最大化信号链的动态范围。AD7779 接受 1 V 至 3.6 V 的 VREF。模拟输入接受单极 (0 V 至 VREF/GAIN) 或真正的双极 (±VREF/GAIN/2 V) 模拟输入信号，其模拟电源电压为 3.3 V 或 ±1.65 V。模拟输入可以配置为接收真正的差分、伪差分或单端信号，以匹配不同的传感器输出配置。

每个通道包括一个ADC调制器和一个sinc3低延迟数字滤波器。AD7779利用SRC来精确控制输出数据速率（ODR）。这种控制对于当线路频率变化0.01 Hz时需要保持ODR分辨率一致的应用非常有用。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ADC转换结果从AD7779发送到处理器。SPI接口用于配置AD7779配置寄存器的读/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，可用于AD7779内部诊断，从而省去了专门为系统测量功能分配Σ-Δ ADC通道的需求。通过使用外部多路复用器（使用三个通用输入/输出GPIO引脚控制）和信号调节，SAR ADC可用于验证Σ-Δ ADC测量结果，适用于需要功能安全的应用。此外，AD7779的SAR ADC包括一个多路复用器，可用于感测内部节点。

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 具有两种工作模式：高分辨率模式和低功耗模式。高分辨率模式在每通道 10.75 mW 的功耗下提供更高的动态范围，而低功耗模式以较低的动态范围规范运行，每通道功耗为 3.37 mW。AD7779 的额定工作温度范围为 -40°C 至 +105°C，最大器件工作温度为 +125°C。

具有超低噪声、漂移和电流特性的放大器

ADI 的 AD8629 放大器具有超低的失调、电压漂移和偏置电流，非常适合高精度应用。它是一款宽带、自动零点放大器，具有轨到轨输入输出摆幅能力以及低噪声特性。AD8629 在单电源电压 2.7 V 至 5 V（或双电源电压 ±1.35 V 至 ±2.5 V）下运行。

AD8629 提供了以前仅在昂贵的自动归零或斩波稳定放大器中才能找到的优势。这些零漂移放大器利用 ADI 的电路拓扑，将低成本与高精度和低噪声性能结合起来，并且无需外部电容器。此外，AD8629 大幅降低了许多斩波稳定放大器中存在的数字切换噪声。

AD8629的特点是偏置电压仅为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至10 Hz），使其适用于不容忍误差源的应用。这些器件在其工作温度范围内表现出接近零漂移，使其在位置和压力传感器、医疗设备以及应变计放大器等应用中具有很大的优势。许多系统可以从AD8629的轨到轨输入和输出摆幅功能中受益，从而降低输入偏置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，扩展至工业温度范围。它提供标准的8引脚窄型SOIC和MSOP塑料封装。

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动能力。它具备2.5 µV的失调电压、0.015 µV/°C的失调电压漂移以及97 µV峰峰值噪声（0.1 Hz至10 Hz，AV=+100），使其非常适合于不允许误差源的应用场景。

ADA4528 的工作电源电压范围为 2.2 V 至 5.5 V，具有高增益、出色的共模抑制比 (CMRR) 和电源抑制比 (PSRR) 规格，非常适合在位置和压力传感器、应变计、医疗仪器等应用中进行低电平信号的精确放大。

ADA4528的额定温度范围为-40°C至+125°C，扩展到工业温度范围。ADA4528-1提供8引脚MSOP和8引脚LFCSP封装，而ADA4528-2则采用8引脚MSOP封装。

具有最大偏移电压为2.5 µV和最大偏移电压漂移为0.015 µV/°C的特性，ADA4528非常适合为小电流信号提供超低漂移、100 V/V的放大。因此，它可以直接连接到像AD7779这样的同步采样、24位ADC的放大阶段，AD7779具有5 nV/℃的输入参考漂移。使用一个比例为1000:1的电阻分压器直接连接到AD7779 ADC的输入端，可以精确测量高直流电压。

结论

直流电能计量相比交流电能计量提供更高的精度。在充电站、微电网、数据中心等快速增长的市场以及其他应用中，直流电能计量能够实现公平计费，同时减少交流和直流之间的转换需求，从而最大限度地降低能量损失。与可再生能源的集成也因直流计量变得更容易、更高效，使其成为一个重要的发展趋势。ADI是一家精密传感技术领域的行业领导者，提供完整的信号链，以满足严格标准的精确电流和电压测量需求。本文讨论的产品代表了直流电能计量应用中的最佳选择之一。