On the Grid - 智能电网技术

跳闸点：保护继电器中基于隔离放大器的交流电压测量

2016-12-27T01:04:39Z

Other Parts Discussed in Post: AMC1100, AMC1200, AMC1301

保护继电器用于保护高压或中压或低压电力系统、感测电路中的异常状况及命令断路器的操作。来自被保护设备的电压和电流输入连接到保护继电器。

保护电源系统元件需要精确测量三相电压和电流，以提供可靠的故障检测和断路器操作，从而最大限度地减少电源系统故障。电流互感器（CT）和电势互感器（PT，也称为电压互感器）是用于开关设备应用中电流和电压测量的最通用的传感器。当保护继电器连接在电力应用中时，连同电压和电流的测量，隔离高压侧的保护继电器是系统和操作者的安全的重要要求。CT或PT将保护、控制和测量设备与电源系统的高电压隔离，并为设备提供适当的电流和电压值到内部模数转换器（ADC）。

电压测量

图1提供了一种用于测量保护继电器应用中的电压和电流输入的方法。使用电压或电流互感器降低初级电压和电流。次级电流或电压被放大并连接到ADC，用于采样模拟输入。ADC连接到信号处理系统，以处理执行保护功能所需的故障参数。

图1：保护继电器的数据采集AFE

PT是用于测量AC电压的最常见的传感器。PT基本上是具有非常精确的匝数比的降压变压器，且对被测量的电源呈现可忽略的负载。变压器具有大量的初级匝数和数量较少的次级匝数。每伏的匝数随测量精度要求而变化，导致PT的尺寸增大。

对于功率和能量测量，电压和电流之间的相移还影响精度，因为功率等于电压乘以电流，再乘以电压和电流之间的相位角的余弦。用于保护继电器应用中的PT和CT都在输入和输出间引入相移。其它重要的要求是在整个动态范围上具有线性相移，以将非线性降到最小。宽范围输入电流和电压下，具有低相位误差的电流或电压变压器的成本很昂贵，且由于相位误差要求，选择CT或PT是一个挑战。

电位变压器的精度要求

表1提供了用于测量和保护的额定电压下不同类别的电压互感器的电压误差和相位误差要求。对于测量，使用0.5或02等级；对于保护，使用3P等级。精度要求由IEC标准规定，用于测试电压互感器的性能。在保护继电器中，用于测量交流输入电压的不同电压互感器具有以下精度规格：

表1：电压互感器精度等级（相位角误差以分钟表示：一度= 60分钟）

虽然通用，但PT具有若干限制，包括：

比率和相位误差。理想的PT具有与初级电压成比例的次级电压和精确的同相相对。但实际上，由于一些初级和次级电压降，您不能在次级或精确相移条件下获得精确的比例电压。因此，PT引入比率和相位角误差。
尺寸和重量。当PT的设计具有更高精度时，它们由在较低磁通密度下操作的特殊高质量磁芯制成，以具有小的磁化电流，因此可将无负载损失降至最低。这使得PT庞大且重量也增加。
输出缩放。缩放输出需要重新设计变压器或在变压器上提供多个分接头。变压器的尺寸也随输出缩放而变化。

用于测量AC电压的替代解决方案是使用具有隔离放大器的电阻分压器。这种解决方案超过了常规电压互感器提供的测量精度和隔离水平。

您可使用简单的电阻基分压器进行线电压/相电压测量。实际应用中，由于功耗、连续工作电压和浪涌耐压要求，我建议由几个串联连接的电阻设计这个分压器。选择电阻分压器值（>1MΩ）以确保安全电流电平（在最大输入电压时<1mA），并选择比率，使输入在最大输入电压下降至ADC测量范围。

电阻分压器没有相移，在整个范围内提供线性输出，您可通过仔细选择电阻分压器来最小化比率误差。频率响应> 100kHz时，总体尺寸小。电阻器的衰减输出并不提供可通过使用隔离放大器实现的隔离。隔离放大器的输出连接到ADC用于测量。与宽动态范围内的PT相比，该解决方案在输入和输出之间具有可忽略的相移，提高了测量精度，减小了电路板尺寸、重量、简化了设计并降低了整体系统成本。通过更改电阻可轻松扩展输出，以调整所需的分频比。

TI提供具有基本或增强隔离的隔离放大器解决方案，其可与电阻分压器一起使用，用于电压测量；我在表2列出其中几个解决方案，及其关键参数。

	AMC1100	AMC1200	AMC1301
共模抑制比（典型值）（dB）	108	108	92
绝缘工作电压VIOWM（RMS）（V）	800	800	1,000
隔离瞬态过电压VIOTM（峰值）（V）	4,250	4,250	7,100
增益非线性（+/-）（最大）（％）	0.07	0.07	0.03
输入电压范围	±250mV	±250mV	±250mV
固定增益	8	8.2
温度增益	-40℃ 至 +105℃	-40℃ 至 +105℃	-40℃ 至 +105℃

表2：隔离放大器关键参数

测量保护继电器中的交流电压和电流的参考设计，及高精度±0.5％电流和隔离电压测量的参考设计展示了使用电阻分压器和隔离放大器（而不是常规电压互感器）测量交流电压输入的解决方案。这些参考设计具有以下功能模块：

电位分压器。机载电阻分压器将5V-300V_AC的输入电压调节为175mV_AC。分压器的mV_AC输出连接到隔离放大器，以在AC输入和测量AFE之间提供所需隔离，并且还提供放大。
具有基本隔离和隔离电源的隔离放大器。增益为X8的±250mV输入和差分输出的AMC1200基本隔离型放大器测量交流输入。共模输出可扩展到1.3V或2.55V。
具有增强隔离和隔离电源隔离放大器。增益为X8.2的±250mV输入和差分输出的AMC1301增强型隔离型放大器，可测量交流输入。共模输出可扩展到1.4V。隔离放大器高端在5V条件下操作。使用变压器驱动器和低压差（LDO）稳压器产生所需隔离电源。
ADC接口。隔离放大器输出连接到ADS131A04 Δ-Σ ADC的差分输入。ADS131A04是一款24位Δ-ΣADC，可配置的输入范围为0-5V（AMC1200）和±2.5V（AMC1301）。

参考设计中基于隔离放大器AMC1200或AMC1301的电压测量AFE满足测量和保护要求的精度要求。参考设计已在宽范围5-300V交流电压下进行电压精度性能测试。对于五周期测量（400个样品，对于50Hz，每周期4,000个样品）可实现精度要求。

5-300V AC输入条件下，观察到的比率误差在±0.2％内。相位误差小于6μs，而对于宽动态输入范围，相位误差相同。

其它参考设计

以下参考设计支持其他应用，包括远程终端单元、配线终端单元、馈线终端单元、塑壳断路器和电源质量分析仪。有关详细信息，请参阅以下链接：

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/10/07/tripping-point-isolation-amplifier-based-alternating-current-voltage-measurement-in-protection-relays

脱扣点：使用Δ-Σ模数转换器简化断路器设计

2016-10-23T07:32:18Z

Other Parts Discussed in Post: LM5160, LM5017, ADS131E08S, MSP430FR5969

在断路器应用中，置于微控制器（MCU）内部或外部的逐次逼近寄存器模数转换器（SAR ADC）更适合Δ-Σ模数转换器，原因是它们的启动时间更快。然而，Δ-Σ模数转换器为内部PGA（可编程增益放大器）提供了更高的动态范围和更高的分辨率，并消耗更低功耗。

Δ-Σ模数转换器在启动期间具有〜100毫秒的启动时间，这限制了它们在断路器中的应用。具有更快启动时间的Δ-Σ模数转换器是解决之道。更高分辨率的Δ-Σ模数转换器减少了空气断路器（ACB）不同型号所用的硬件数量，并缩短了设计周期。

空气断路器参考设计（TIDA-00661）的高分辨率快速启动模拟前端重点解决关键的断路器要求。您还可以在塑壳断路器（MCCB）的设计解决方案中使用部分或全部解决方案。

用于低电压应用的空气断路器

图1：高达6300A的SACE Emax 2空气断路器

住宅、商业及工业配电系统采用带集成电子脱扣器（ETU）的空气断路器保护负载侧。

ACB中的ETU

ETU提供测量信息，也提供下列功能，如：

快速启动 – 脱扣装置必须正常运行，并在<5ms时开始采样模拟输入。
基于MCU的真有效值测量。
电流（X 5）和电压（×3）测量。
关合电流脱扣器。
功率测量。
自供电的前提是相电流为额定电流（In）或辅助电源（直流输入）的> 20％至25％。

关于ETU功能的详细说明，请参阅该参考设计库的设计指南第1.3.1节。

ACB功能：关合电流脱扣器

空气断路器防止配电系统/负载过载负荷、短路或接地故障。空气断路器的额定电流承载能力已做出规定；额定电流变化范围为200A至6,300A。在过载或短路情况下，断路器脱扣的吸动电流可以设置为10-15倍于额定电流，最高等级可达100kA。因为断路器承载大电流，它们必须防止闭合时出现故障。这种保护功能被称为关合电流脱扣器（MCR）。

若合闸操作期间，电流超过短路或瞬时吸动电流设定值，在MCR功能会使得ACB脱扣。若试图关闭高于额定接通容量的短路故障电流（50kA，63KA或100kA，取决于应用程序、型号），MCR也会使得ACB脱扣。

取决于制造商，指定的断路时间为30到50ms之间。断路时间包括采样输入电流，并处理样本以向螺线管提供脱扣命令，这断开故障电流。这项规定限制了您的DC / DC转换器，MCU和ADC选择。

参考设计特性

该参考设计包含一个带模数转换器的AFE板和带MCU和电源的接口板。它也具有一个用于ETU的信号处理前端，与模数转换器一起使用。本设计使用一个高分辨率Δ-Σ模数转换器用于测量指定精度范围内的宽电流和电压输入；该模数转换器可以测量多达八个带24位分辨率的同步输入。带MSP430™MCU的ADC接口用于模拟输入处理。

该设计通过整流电流输入或辅助直流输入电源供电。它提供了两种基于功率要求的选择，以产生正负电源，一个使用LM5017，另一个使用在Fly-Buck™模式中配置的LM5160。

设计特点包括：

三个电压和五个电流输入接到带快速启动（<3毫秒）的八通道、同步采样、24位ADS131E08S Δ-Σ模数转换器。
在±1％范围内，测定动态范围≤500的AC电流输入，具有固定PGA增益。
在±1％范围内，测定10-900V的交流电压输入，具有固定PGA增益。
在Fly-Buck转换器配置中的DC / DC转换器用来生成电源输出。
子系统配置用于2W或8W功率输出。

参考设计优势

ADS131E08S基于Δ-Σ模数转换器参考设计满足了空气断路器的一些关键要求，如：

快速启动：当电源出现故障时，空气断路器被指定在30-50ms范围内脱扣。时间包括系统加电、交流输入电流的测量和断开故障电流。
宽输入测量：对于给定的电流断路器额定值，故障电流输入范围从0.3-15 In（额定电流）不等或以上。断路器有多种额定电流可用。高分辨率模数转换器确保将相同的ETU用于多个电流额定值或全部未更改硬件设备的电流额定值。类似地，相同的ETU可用于简化硬件设计和测试的多个电压等级。宽输入电压测量是通过可设置为2.4V或4V的高分辨率ADC，PGA和参考实现，从而提高了动态范围。
电压和电流输入的精确测量：输入电流的精确测量确保可重复脱扣时间性能用于保护和精确测量计量的不同参数。精确测量通过高分辨率ADC、内部PG和内部基准实现。
更高的可靠性和温度性能：参考和PGA集成减少了外部元件的需求，改进了温度性能，并提高可靠性。

表1列出了参考设计的各个子系统启动延迟。

子系统	TI产品	以毫秒为单位延迟
电源	LM5017或LM5160 DC/DC转换器	≤0.65
ADC	在4KHz采样的ADS131E08S	≤2.30
带内部振荡器的MCU	MSP430FR5969 MCU	≤0.5
总启动延迟以测量±2％的模拟输入		≤3.5

表1：ACB ETU TI设计的启动延迟

已测试该参考设计在宽泛的电流和电压输入范围的电压和电流精度性能。通过1个周期的测量实现±0.5％精度（每个周期80样本@ 4000样本用于50Hz输入）。请参阅参考设计的设计指南第8节内容。

概述

基于ADS131E08S基于Δ-Σ模数转换器的参考设计TIDA-00661使用Δ-Σ模数转换器解决了空气断路器的关键系统设计挑战，并提高了半个周期或一个周期测量的测量精度。它配备了设计指南、Altium的原理图和印刷电路板（PCB）文件、组装文件和物料清单（BOM）加快您的设计进程。

其他信息：

查看TI完整的Δ-Σ模数转换器产品组合。
可在TI数据转换学习中心了解更多内容。

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/08/10/tripping-point-simplifying-circuit-breaker-design-using-delta-sigma-adcs

智能电表设计中的热分配表的重要性

2016-10-23T07:27:04Z

热分配表（HCA）是智能电子设备，其在使用集中、辐射供暖系统的多层住宅建筑物中通过独立装置测量热能。这种测量用于分配操作中央加热系统的总成本。

HCA可能是市场上最“简单”（在功能方面）的分项计量装置，并具有极低的功耗预算：平均只有几微安。通常来讲，HCA中的微控制器（MCU）运行一个实时时钟（RTC）；控制低功率段LCD（通常50-100段）；定期读取两个温度传感元件；并定期运行RF传输，其传播最新的HCA读数和其它数据。多数情况下，一个双向红外（IR）通信端口可将移动读数装置连接到IR端口，以读取数据或将数据写入HCA装置。

HCA最重要的设计考虑因素

正如每个大容量应用一样，单位成本（包括物料清单[BOM]和制造成本）是一个重要的设计考虑因素。系统设计所消耗的最低能量将减少产品寿命周期所需的电池大小，并降低系统成本。

实施我上面列出的相对简单的HCA功能时，若它们都需在一个单一的主锂亚硫酰氯或锂二氧化锰电池（能力处在900mAh至1.2AH范围）运行12年以上时，这将变得更具挑战性。电池若想获得如此寿命，需要一个专注HCA各个功能超低功耗的高度优化的硬件和软件设计。例如，一个集成的SAR ADC（若低功率的ADC模块可用）可以测量NTC元件或LMT70A CMOS传感器的温度；因此可通过模拟比较器进行斜率转换，这在应用报告“通过斜坡A / D转换实现一个超低功耗的温控器”中所述。

早期HCA产品基于两种芯片解决方案：超低功耗MSP430™ MCU和射频锁相环（PLL），我们称之为第一代HCA。第二代设备采用更先进的微控制器（如闪存或基于FRAM的MSP430 MCU），连同集成射频发射器设备（如TI的低于1GHz CC115L或CC1175的解决方案），或者只是用集成RF的单芯片CC430 MCU。

虽然双向RF通信对于HCA来讲并非强制项，但有时使用它时基于专有的RF协议，用于将数据从一个HCA传送到另一个HCA。自2005年发布欧洲wM-总线标准（EN13757-4）以来，目前市场上的许多计量和分项计量HCA产品使用wM总线作为射频协议，尽管许多专有协议仍处在433和868 ISM频带。

一些供应商提供多协议HCA，支持其专有的RF协议与通用wM总线S、T和C模式并行。这种情况下，应用程序中的闪存/ FRAM大小和RAM资源需求显著增加。诸如MSP430FR9672 MCU系列的FRAM基MCU可动态地移动程序代码大小和RAM大小之间的分区，从而提供与闪存基MCU相比所具有的一些成本优势，这需要更大的内存导数。

十多年来，TI一直是HCA市场的先锋，而MSP430F4xx系列为性能和MCU超低功耗设定了规则。随着现有MCU产品功能在过去五到六年中得到显著改善，通过闪存技术ARM基MCU架构现也能够满足HCA功率和系统要求。

TI最近在HCA市场推出了几款FRAM基MCU参考设计。这是第二代的型式设计。用于热分配表的匹配精密温度传感参考设计（TIDA-00646）分析温度测量子系统，并通过高精度匹配模拟CMOS传感器（LMT70A）取代传统NTC传感器提供了一种新途径。

闪存基SimpleLink™ Sub-1GHz CC1310无线MCU采用集成的超低功耗传感器控制器外设，包括一个SAR ADC12模块，通过最小功率预算打开电源并读取LMT70A传感器。

图1：TIDA-00646和TIDA-00838框图

通过将相同的PCB用作HCA的匹配精密温度传感参考设计，wM总线频段处在868 MHz的热分配表参考设计（TIDA-00838）使用双传感器测量法的EN834标准进一步扩展了HCA系统的软件实现。

这两种参考设计在+20至+ 85℃温度范围内无需任何校准即可实现优于0.5℃的精度，即使使用不匹配的（LMT70）温度传感器。使用LMT70A（匹配的CMOS温度传感器类型）完全消除了制造过程中的校准需求，并降低了制造成本。CC1310无线MCU还在868MHz频段为S、T和C模式（仪表设备）提供无线wM总线支持，并可下载开源代码示例。

MSP430FR4133 MCU运行HCA应用程序代码和RTC，并控制一个96段LCD，它总是处在启动状态。包括wM-总线电报的周期性RF传输在内的所有这些任务通过关闭分段LCD显示器，并每隔4秒进行温度感测（4秒比平常更频繁的字段）减少3.2μA的电流。

HCA的未来前景如何？

半导体技术的近期发展表明，第三代HCA设备将是一种具有更低功耗的单芯片解决方案，可进一步减小电池尺寸，并可能集成XTALs（32.768kHz睡眠模式或24MHz RF系统时钟）进而减少额外的BOM成本。通过集成用于换衡器和射频匹配件的无源元件，节约总成本是可能的（因此BOM成本也会降低），这可实现更简单和更快速的设计和制造。一些未来的HCA产品甚至可以使用双频段解决方案，其可提供一个Sub-1 GHz和Bluetooth®低功能协议连接，通过Bluetooth®启用低功耗的智能手机或平板电脑可更方便地读取和配置。

即使出现相关的额外费用，新的射频通信技术可能有助于降低HCA的总拥有成本。建设和维护自动读取和计费的基础设施的成本大大降低抵销了不断增加的HCA装置成本，以支持物联网（IoT）（如SIGFOX）的远程协议。通常来讲，此类基础设施包括多电池供电网关（或数据收集器），其可在它们之间进行通讯并合计读出值送至后勤部门。SigFox技术可作为一个合适选项改变如今部署的成千上万的HCA装置的读数。

虽然TIDA-00838参考设计是一个极佳的HCA解决方案，但两个MCU设备的成本高于一个设备的成本。为了实现第三代HCA解决方案，TI已经开发了一种创新的专利申请中的解决方案，其中增加几个电阻和优化的GPIO控制软件可增加分段LCD的功能。分段LCD的GPIO驱动解决方案在任何应用（需要分段LCD但无需始终启动）中都非常有用。许多HCA和热量表、恒温器，以及其他各种IoT应用也是如此。LCD显示器本身多数情况下被关闭，仅在需要时激活，这是因为当LCD被启用（或可见）时，软件方法参考设计的电流消耗处在300μA的范围内。

传感器控制器核心每一秒都在天线连接器附近的小圆形区域（参见图2）检查触控事件，以激活LCD。即使LCD处于关闭状态，CC1310平均电流是644nA（正在运行电容触摸传感器任务）。

图2：启用LCD的TIDA-00848和睡眠模式下的电流消耗

TI的第三代HCA解决方案现在此处呈现——去获取吧。

其他信息

查看使用GPIO引脚提高系统灵活性的分段LCD控制器的TI Designs参考设计库。
请参阅有关TI智能电网解决方案概述的新设计。

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/08/05/importance-of-heat-cost-allocators-in-smart-meter-designs

用GaN重新考虑你的太阳能逆变器

2016-10-23T04:28:28Z

太阳能逆变器：采用GaN前后对比

“太平洋煤气电力公司为住宅发起了于2016年7月28日星期四举行的智能日活动。记得在电费最高的下午2点至7点减少用电量，节省能源。”

在德克萨斯和加利福尼亚都曾生活过，我已经习惯了炎热充满阳光的夏天。我也常常从当地的公用事业部门收到像上面那样的短信。我要尽我所能在不增加电费的情况下保持凉爽，但这不是太容易，尤其是在下午2点至7点之间日内温度最高的时候。

但是，烈日带来很多很酷的好处，太阳能便是其中之一。安装太阳能电池板是补充电力的好方法，可以保持舒适，节省金钱。

听起来像推销宣传？并非如此。据太阳能能源产业协会，2015年，加利福尼亚安装太阳能发电容量达3,266MW，是美国安装太阳能发电容量最大的州，这些太阳能电量足够3,494,000户家庭使用。尽管如此，这些家庭需要逆变器将来自太阳能电池板的直流电压转换为室内所使用的交流电压。

这些逆变器要非常高效——如果把宝贵的能源浪费在逆变器中，为什么要费时费力地花钱在房顶安装太阳能电池板？逆变器还要紧凑，具有成本效益。

图1为太阳能逆变器系统的典型框图。采用最大功率点跟踪（MPPT）算法的前端直流升压电路用于在一天中的不同时间和当太阳能电池板被云或其他遮光情况完全或部分遮挡时优化太阳能电池板电压。第二级是直流-交流逆变器。逆变器将直流母线电压转换为适合负载使用的50或60Hz电压。该系统的变体可以包括电池蓄电系统和/或用于在太阳较弱时进一步提高整体效率的升压电路旁路开关。

图 1：典型太阳能逆变器

TI的氮化镓（GaN）技术与TI的数字电源Piccolo™微处理器相结合，使升压和逆变器级能以高于100kHz的频率工作，而传统的绝缘栅双极晶体管（IGBT）设计以低于20KHz的频率运行。较高的频率大大降低了逆变器和电源优化器（如使用）中大型磁铁的尺寸。GaN功率级固有的低开关损耗使得效率可以达到99％以上。更高的效率意味着更小的散热器和需要较少的散热，使设计更加紧凑和更具成本效益。

让我们一起重新考虑您的太阳能逆变器设计。用TI的GaN产品组合开始设计。

其它信息

学习使用集成驱动器优化GaN性能。
阅读白皮书《一种实现GaN产品可靠性的综合方法》或者博文《让我们使用可靠的GaN技术》了解关于TI GaN的可靠性。
从采用C2000 Piccolo微控制器(MCU)的数字控制太阳能微逆变器设计开始吧。
了解更多关于太阳能逆变器设计的信息。

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/09/09/rethink-your-solar-inverter-with-gan

电动汽车充电站正变得更智能、充电速度更快

2016-09-09T09:49:44Z

Other Parts Discussed in Post: TIDC-EVSE-WIFI

虽然电动汽车（EV）在市场上并不新鲜（它们实际上已存在了一个多世纪），但他们的普及进程却特别缓慢。电池技术的进步，连同支持用于交通的替代能源的政策法规已加速普及电动汽车的使用率。但电动车仍然面临星罗棋布的加油站的激烈竞争。与那些需要充电数个小时才可为电动车充满电的充电站相比，这些加油站可即刻将燃油泵送至传统的内燃机车辆中。

EV充电站大致可分为三类：基于其功率和充电能力划分的1、2、3类充电站（见表1）。这三类充电站基于充电技术可进一步划分为交流（AC）充电站和直流（DC）充电站。1类交流充电站采用慢速充电，使用低电池充电电流，避免损坏电池；慢速充电也有利于匹配当地电网连接的能量容量。2类交流充电站，通常设在公共充电站，可供需要更高电流连接的商业建筑使用。功率处理能力和电池拓扑结构的技术创新促成第3类直流充电站的问世。第3类充电站自含高电压AC / DC电源，可不使用车辆的车载充电器（AC / DC），以提供极高的功率充电量。

表1：电动车服务设备（EVSE）类型分类*充电时间不随EVSE充电容量线性扩展。

虽然3类充电站相比1类和2类充电站具有相对快的充电时间（如表1所示），但前者在全球的总占有率小于10％。充电时间过长（包括3类充电站在内）一直成为普及电动汽车的主要障碍。为EVSE添加远程监视和控制功能可帮助电动汽车车主减轻因充电时间延长造成的不便。例如，能够远程监控，并在办公室的停车场或在购物中心或高速公路上的公共充电站预留EVSE插槽（见图1），可以消除在下一休息站找到一个EV充电器相关的不确定性。EV充电完成发出的自动文本消息可确保用户为下一个用户腾出地方，而不会增加延迟。在家中充电时可为您的电动汽车自动化充电时间和条件。这使得当上网电价较低时，可在非高峰时段为电动汽车充电。

图1：远程监控和EVSE控制用例。

TI新型支持Wi-Fi功能的电动汽车服务设备参考设计（TIDC-EVSE-WIFI）是一个完美组合，可满足上述用例（及其它更多用例）的远程监视和控制要求。在EVSE上添加Wi-Fi功能可通过标准的Web浏览器从任何Wi-Fi连接的设备监控EVSE。包括在该设计中的一些主要功能是：

1类和2类充电站操作（120V至240V）。
功率输出高达30A（通过使用更大的继电器扩展）。
先导信号线通信支持。
锁存继电器检测。
高精度电能计量。
使用SimpleLink™技术通过Wi-Fi收发器进行通讯。

该参考设计是最新加入到TI Designs中TI产品组合的一种设计。此设计可协助工程师开发出加速电动汽车普及进入主流市场的设备。2016年后期，TI计划推出3类可扩展到600 V和400 A的EV DC充电站参考设计。确保在未来几个月查看有关这一新型3类EVSE电源子系统设计的详情。

其他信息

请参阅新闻稿：TI参考设计为电动汽车充电站添加了Wi-Fi功能
查找TI嵌入式和模拟技术和参考设计，帮助您设计1类和2类EVSE及3类EVSE。
查看1类和2类电动汽车服务设备参考设计（TIDA-00637）。
下述图2是支持Wi-Fi的1类和2类EVSE充电站设计的设计电路板图片。

图2：TI最新的支持Wi-Fi的1类和2类EVSE设计的参考设计板。

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/08/29/electric-vehicle-charging-stations-are-getting-smarter-and-charging-faster

量化谐波失真率：THD计算选项

2016-09-09T09:10:51Z

非线性电负荷的激增正威胁着工场、商务楼及住宅楼的电网可靠性。什么是非线性负载？即任何阻抗随着所承受电压变化而变化的用电设备。工业应用中的例子包括大型变频电机驱动或大电流弧焊机。服务器机群中使用的开关电源，办公设备和各类消费电子产品也是非线性负载。

非线性负载不断变化的阻抗会导致电流成非正弦表现；因此，该等负载会导致谐波电流,其频率是基本频率的整数倍（基本频率为50或60 Hz，视地区而定）。当这些谐波电流在系统阻抗中传播时，供电电压上就会出现被称为谐波电压的失真现象（正如您可能猜到的，谐波电压是频率为基本频率整数倍的电压）。

这些电流和电压谐波会损坏其他接入电网的电气设备，包括公用设施和其他电气用户的设备。因此，电力供应商和能源使用大户有责任降低非线性负载及其相关谐波的影响。第一步便是监控电网中是否存在谐波。在电表中加入总谐波失真率(THD)测量是个不错的开始。

在探讨如何计算THD这样的细节问题之前，首先让我们来了解下谐波的基本概念。关于谐波首先应该注意的是您可以将谐波导致的波形分解成正弦波的叠加。在对得到的波形进行分解的过程中，额定频率的分量称为基本频率。频率为基本频率整数倍的正弦波分量称为谐波，n次谐波对应基本频率n倍的频率分量。在图1中，您可以看到3次谐波电压分量和基本电压是如何共同创造出由正弦波衍生出的新波形的。

图1：带3次谐波电压分量的电压波形范例

电压和电流中出现谐波时，您可以使用所得波形（例如，图1中的黑色波形）的波形样本进行相应的均方根(RMS)测量并将其插入标准均方根方程，方程1和方程2中：

如果您已知每个谐波分量的均方根值和基波分量的均方根值，那么，您可以通过每个谐波分量及基波分量总均方值的平方根，交替计算出RMS，如方程3和方程4所示：

您可以按照信号中全部谐波含量计算THD参数。对于THD，有两个常用的定义。第一个定义来自IEC 61000-4-7，其将THD定义为指定次(N)全部谐波分量均方根值（V_1,rms表示电压，I_1,rms表示电流）与基波分量均方根值（V_h,rms表示电压，I_h,rms表示电流）之比。方程5和方程6分别是计算电压和电流THD的方程：

这一THD定义更常见于能源计量系统，如果基本信号的贡献小于其他谐波的总贡献，得到的THD值可能会超过100%。

在对THD的第二个定义中，THD是指定次(N)全部谐波分量均方根值（V_h,rms表示电压，I_h,rms表示电流）与总均方根值（V_1,rms表示电压，I_1,rms表示电流）之比。总RMS值包括基波和其他谐波的作用。方程7和方程8分别是计算电压和电流THD的方程：

在THD的第二个定义中，由于总均方根被用作分母，而不仅仅是基波均方根值。因此，得到的值总小于100%。

因此，在测试THD精度时，需注意所使用的THD定义，因为这两个不同的定义会得出两个不同的值。

在两个定义中，您都必须确定每个谐波分量的均方根值。计算这类均方根值要求采用快速傅里叶变换(FFT)运算。根据所选择的计量处理器，这可能涉及很密集的计算操作。在该系列的下一期中，我将介绍一种计算密集度稍微低些的THD估算方法。

其他信息：

原文链接：

https://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/08/19/quantifying-harmonic-distortion-options-for-calculating-thd

跳闸点：使用∑-Δ ADC简化断路器设计

2016-09-05T07:42:00Z

Other Parts Discussed in Post: LM5160, ADS131E08S, MSP430FR5969, TIDA-00661

在断路器应用中，安装在微控制器(MCU)内部或外部的连续渐进式模拟数字转换器(SAR ADC)，由于启动速更快，因此比∑-Δ ADC更受欢迎。然而，∑-Δ ADC具有更高的动态范围、更高的分辨率、内置PGA（可编程增益放大器），且功耗更低。

∑-Δ ADC上电时的启动时间约为100ms，这限制了其在断路器内的应用。解决方法就是使用具有更快启动速度的∑-Δ ADC。使用更高分辨率的∑-Δ ADC能够减少针对不同型号的空气断路器(ACB)所使用的硬件数量，并缩短设计周期。

用于空气断路器的高分辨率、快速启动模拟前端参考设计(TIDA-00661)聚焦于解决关键的断路器要求。您也可以在塑壳断路器(MCCB)设计中部分或全部使用该解决方案。

用于低压应用的空气断路器

图 1：电流高达6300A的SACE Emax 2空气断路器

住宅、商业和工业配电系统使用带电子跳闸单元(ETU)的空气断路器用于负载端保护。

空气断路器中的电子跳闸单元

电子跳闸单元既能够提供测量信息也能够提供以下功能：

快速启动——跳闸单元必须在<5ms内运行并开始模拟输入采样。
基于MCU的真有效值测量。
电流(X 5)和电压(X 3)测量。
关合电流脱扣器。
功率测量。
当相电流超过额定电流(In) 20% - 25%时采用自供电或辅助供电（直流输入）模式。

关于电子跳闸单元功能的更多介绍，请参见参考设计设计指南的第1.3.1部分。

空气断路器的功能：关合电流脱扣器

空气断路器能够防止配电系统/负载出现过载、短路或接地故障，根据其额定载流量进行选择使用；其额定流量为200A - 6300A。断路器在过载或短路时的跳闸始动电流可以设置为额定电流的10-15倍，最多为100kA。由于断路器携带着大量电流，因此，必须防止其误合闸。该保护功能被称为关合电流脱扣器(MCR)。

如果在关合操作中，电流超过短路或瞬时始动电流设置，空气断路器便会在MCR功能的作用下跳闸。如果当短路故障电流超过额定关合电流时（50kA、63kA或100kA，具体视应用、品牌和型号而定）仍试图关合电路，空气断路器也会在MCR功能的作用下跳闸。

规定的断路时间为30-50ms，不同制造商可能有所差异。断路时间包括对输入电流进行采样和处理采样，为负责断开故障电流的螺线管提供跳闸指令。该要求会限制您的直流/直流转换器、MCU和ADC选项。

参考设计特性

参考设计包含带ADC的模拟前端板以及带MCU和电源的接口板，此外，还有用于空气断路器的电子跳闸单元信号处理前端。该设计采用了高分辨率∑-Δ ADC用于测量指定精度范围内的宽电流和电压输入；ADC可以测量多达八个24位分辨率的同步输入。ADC能够连接MSP430™ MCU进行模拟输入处理。

该设计采用整流电流输入或辅助直流输入电源。其根据功率要求提供两个正负供电选项，一个使用LM5017，另一个使用LM5160，采用Fly-Buck™模式配置。

设计特性包括：

三个电压输入端和五个电流输入端连接至一个八通道、同步采样的24位ADS131E08S快速启动(<3ms)∑-Δ ADC。
测量动态范围≤500交流电流输入、精度±1%、固定PGA增益。
测量10-900V交流电压输入、精度±1%、固定PGA增益。
反激式转换器配置直流/直流转换器用来产生电源输出。
子系统可配置2W或8W功率输出。

参考设计的优势

该参考设计基于ADS131E08S ∑-Δ ADC，实现了空气断路器的一些重要要求，如：

快速启动：规定出现电流故障时空气断路器在30-50ms内跳闸，该时间包括系统上电、交流电输入电流测量和断开故障电流所用时间。
宽范围输入测量：对于给定的电流断路器额定值，故障电流输入范围为0.3-15 In（额定电流）或更大。断路器有多个电流额定值可选。高分辨率ADC确保了可以无需更换硬件，同一电子跳闸单元用于多个或全部电流额定值。同样地，同一电子跳闸单元用于多个电压额定值，简化硬件设计和测试。通过可设置为2.4V或4V的高分辨率ADC、PGA和基准提升动态范围，实现宽范围输入测量。
精确测量电压和电流输入：精确的输入电流测量确保了可重复的跳闸时间保护性能以及精确测量不同计量参数。通过高分辨率ADC、内置PGA和内部基准实现精确测量。
提升可靠性和温度性能：集成的基准和PGA降低了对外部组件的要求、提升了温度性能及可靠性。

表1列出了参考设计不同子系统的启动延时情况。

子系统	TI产品	延时（毫秒）
电源	MC5017或LM5160直流/直流转换器	≤0.65
ADC	ADS131E08S，4KHz条件下进行采样	≤2.30
MCU，带内置振荡器	MSP430FR5969 MCU	≤0.5
测量±2%模拟输入的总启动延时		≤3.5

表1：空气断路器电子跳闸单元启动延时TI设计

该参考设计通过了对宽量程电流和电压输入进行的电压和电流精度性能测量。每个测量周期达到了±0.5%的精确度（80个样品@ 4000个样品/周期，50Hz输入）见参考设计设计指南的第8部分。

总结

参考设计TIDA-00661基于ADS131E08S∑-Δ ADC ，使用∑-Δ ADC解决了空气断路器的关键系统设计挑战，并提升了半个或一个测量周期的测量精度。其配有设计指南、Altium原理图和印刷电路板(PCB)文件、程序集文件和材料清单(BOM)，便于加快您的设计进程。

更多信息：

查看TI完整的∑-Δ ADC产品组合。
欲了解更多信息，敬请访问TI的数据转换器学习中心。

原文链接：

https://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/08/10/tripping-point-simplifying-circuit-breaker-design-using-delta-sigma-adcs

设计下一代太阳能逆变器系统

2016-08-01T02:22:00Z

据一家研究公司^[1]预测：2015年太阳能装机容量可能创纪录地增长25%，而全球太阳能发电量也将从2014年的40GW猛增至50GW。在每一台太阳能采集器中，其中一个关键终端设备就是太阳能逆变器。太阳能逆变器，或任何一种此类逆变器均接受直流(DC)输入，然后将其转换为可用于住宅或商业用途的标准电器和电子元器件设备的交流供电(AC)输出。虽然几乎可以应用于任何高功率直流源，逆变器增长的绝大部分仍然是可再生能源领域，尤其是太阳能领域的应用。

当安装在住宅或公司中时，太阳能逆变器可连接至电网，以抵消一部分能耗，或者在某些情况下甚至将能量传回电网。为实现这一目的，必须将其交流输出与电网电压同步，并符合某些安全要求，比如在电网电压消失时关闭交流输出。我们可不希望工人在大风暴过后维修高压线路时向电网输电。

传统意义上，一系列太阳能电池板会连接至一个串型逆变器。这些逆变器接受大约600 V Dc（在使用住宅用串型逆变器的情况下）输入，相当于几千瓦的太阳能装机容量。对于一个太阳能电厂来说，一个逆变器需要具有合适的尺寸，但是在转换集中在一起（中央逆变器），并且在设计正确时，可以使得整个太阳能采集器系统的安装成本更低。另一个拓扑是太阳能微型逆变器，其大小与单个太阳能电池板相当或大约为200 W至300 W。通过分步执行逆变过程，太阳能阵列能够适应更复杂的屋顶，并能够实现更小阵列的安装，而通常情况下，这些较小的阵列无法达到串型逆变器的输入电压。

这些不同类型太阳能逆变器的核心是几个重要的子系统：

数字控制器

太阳能逆变器一般包括一个连接至电网、用于DC-AC的全桥，以及一个连接至太阳能电池板、提高逆变器电压增强并将清洁能源馈入电网的DC-DC级。太阳能逆变器的目的是从电池板中提取最大功率，并且将清洁能源馈入电网。为确保这一点，必须准确采样功率级电压和电流，并需要为DC-AC和DC-DC中的电源开关准确生成脉宽调制(PWM)。通过更快地感测到线路负载变化，数字控制器可以更加高效，并且会由于更高的工作频率而具有更大的功率密度，此外由于我们采用了一个完整的中央处理器内核，它能够为系统级集成提供一些其它功能。了解更多有关TI数字电源解决方案的信息。

隔离

克服电压限制对任何电力电子设计来说都是一大难题。为了感测和控制这些电压，我们采用电容隔离器件。这些器件允许高频信号穿过功率边界，但能阻断高压DC。这种隔离技术具有较长的使用预期和低电磁辐射，因此非常适合工业应用。在逆变器中，我们同样使用了隔离式电源，以便能够在隔离边界的另一侧为电子元器件有效供电，并且为高压MOSFET和IGBT供电以控制电源路径。

栅极驱动器

我们采用MOSFET和IGBT来控制电源路径（参见：TI栅极驱动器解决方案）。这些器件在设计上能够开关非常高的电压和电流，因而非常适合用作逆变器中的数字降压转换器。使用这些器件的关键在于正确地驱动它们。输入运行为电容器，每次开关FET时，必须对电容器进行充放电。当按照逆变器要求的高速开关这些器件时，可能需要几安培的电流来正确驱动它们。若开关速度不够快，转换级的效率就会受到较大损失。为了正确实现这点，可以使用专用驱动器，这些驱动器将来自控制器的数字PWM转换为FET所需的电流。

一个即将出现的趋势是能够监视和控制住宅/商用太阳能装机数量的能源生产统计数据。在太阳能采集系统中，增加 ZigBee®、6LowPAN等低功率无线连接标准或诸如电力线通信(PLC)等的有线通信正变得越来越普遍。一旦连接至回程网络，将传入至云端，用户可以在任何地方轻易地查看这些数据。此外，通信系统可用于监视系统，以及警告所有者任何可能即将进行的维护工作。

多个TI Designs新参考设计可以帮助工程师缩短太阳能逆变器设计的上市时间。务必查阅太阳能逆变器页面，以获取太阳能逆变器系统解决方案。另外，您还可以查看我们新出的“系统变得简单”培训系列，获取有关构建下一代太阳能逆变器的更深层次系统讨论。

其他信息：

观看我们的系统变得简单视频系列。

访问我们的太阳能串型逆变器网页，了解更多信息。

参见我们的太阳能微型逆变器框图。

阅读电源之家上受欢迎的新博文：如何创建用于太阳能发电的电源解决方案

查验这些TI Design的参考设计：

C2000™太阳能DC/AC单相逆变器

具有最大功率点跟踪(MPPT)功能的C2000™太阳能DC/DC转换器

具有最大功率点跟踪功能的并网太阳能微型逆变器

支持电压电源和电网连接模式的单相逆变器

原文链接：

https://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/01/07/designing-your-next-solar-inverter-system

更智能的太阳能供电-智能汇流盒

2016-06-08T02:31:07Z

在过去的10年中，光伏（PV）系统的应用呈几何级增长，但在电网中的供电量却仅占极少的比例。作为一种清洁能源，太阳能发电系统为何不能为世界各地的电网提供更多的电能呢？阻碍光伏系统大规模推广的主要原因是费用（美元/瓦）和效率方面的考量。在开发新的太阳能技术（太阳能逆变器、电源优化器等）时，系统设计人员必须利用智能系统和子系统拓扑结构提高效率，降低单位成本。

图1. 光伏阵列

光伏系统的效率主要取决于电能转换子系统和对光伏模块功率的实时监测。传统的做法是将两种功能集成于太阳能逆变器中，这样系统架构师便可以设计更高效的电源转换级，同时实现多支路功率监控。单个光伏阵列中的光伏支路数量增加后，其电容量也会增加到50千瓦或以上，因此有必要将光伏支路整合到逆变器前的一个高压直流（DC）总线中。这个系统被称为太阳能汇流箱。太阳能汇流箱可以减少外部电缆和铜直流母线，进而降低总系统成本。太阳能汇流箱中还可以按照光伏系统安装的地区标准安装手动安全隔离开关。

随着光伏阵列尺寸的增加，效率问题日益突显。由于电流传感器需要监测更多的面板和支路，因此可能无法及时检测到面板中发生的微小故障，造成无法修复的损坏。而由于故障未被检测到，太阳能电池板便无法满负荷运行，光伏系统的运行效率便会降低。在检测到故障后，技术人员必须在多支路中查找损坏的太阳能电池板。与之相比，支路级电流感应具有更高的成本效益，它可以减少系统停机时间和设备更换成本，降低单位电量的成本。

为提高多支路级监控到支路级监控之间的过度梯度，通过集成电流和电压感测和监测技术，太阳能汇流箱可升级为智能汇流箱。除了电流和电压感应这一“智能”技术，智能汇流箱还包括另外一个关键特性：过电流保护。若出现安全问题或判定设备可能遭受进一步损坏，可将单个支路从整个太阳能发电系统断开，这样便可以节省设备更换费用。图2是安装智能汇流箱的光伏系统的可视化框图。

图2. 安装智能汇流箱的光伏系统

通过精确的高侧电流感应，智能汇流箱降低了系统成本，提高了系统效率。TI在电流测量领域提供众多的隔离和非隔离式解决方案，包括磁通门传感器（使用闭环补偿磁通门传感器参考设计的±15A电流传感器），霍尔效应传感器（使用双极供电参考设计的100A闭环电流传感器的参考设计），以及分流器监测器（40V至400V单向电流/电压/功率监控参考设计）。这些解决方案可以完全满足智能汇流箱对高侧电流感应精度、成本和电流范围的要求。

其它资源：

访问Kripa Venkat最近发布的“启用更高效、更安全、弹性更高的电网”博文。

查看化繁为简的新系统：关于太阳能逆变器的太阳能逆变器培训视频。

下载TI的智能电网和能源解决方案指南。

查看下列与光电和智能电网相关的TI Designs参考设计：

采用全差分隔离放大器的隔离式电流与电压测量参考设计

基于分流的交流/直流电流和电压传感，用于带增强型隔离的智能电网应用

采用隔离式分流传感器进行多相能源测量参考设计

针对保护继电器使用分流技术实现扩展电流和电压测量的参考设计

使用霍尔效应传感器的无触点、精密AC电流感应

使用开环磁通门传感器的±100A母线电流传感器参考设计

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/05/05/a-smarter-way-for-solar-to-power-the-grid-think-inside-the-box

跳闸点：使用分路监视器的服务器电源保护

2016-06-02T08:33:35Z

一个服务器站或数据中心的用电量可轻松达到兆瓦水平。一个拥有50000台服务器的数据中心用电量可能达到15至20兆瓦。衡量每个服务器机柜（图1）的电力供应的关键技术是什么呢？同样，在工业和制造业方面，也有大型用电企业，那么厂务经理应该如何评估各过程、重要设备或者每个部门的用电量呢？

表1：数据中心内带有分支电源的服务器机柜

作为配电的关键设备，支路监视器（简称为BCM）提供各配电板支路所需的电气信息，其中包括电压、电流、功率因数、瓦以及电路的千瓦时，用于过载保护、载荷管理、载荷平衡和成本分配。下载全新的TI Design参考设计，支路电流监视器的测量模块。

BCM在配电系统中是如何运行的呢？以过载保护为例，根据为每个分支断路器额定功率设置的可编程报警阀值，BCM在电流接近断路器跳闸临界点时会向操作者发出预警。在电流较高的情况下，提前通知可以让操作者采取必要的防范措施并避免出现不必要的断电，这在提高系统可靠性方面取得了巨大进步。BCM收集的数据可以在本地储存和分析，或通过传输控制协议（TCP）、Modbu或简单网络管理协议（SNMP）的通信频道，发送至传统的楼宇管理系统或数据中心基础设施管理系统中。有了这些信息，数据中心和厂务经理能够更有效地平衡载荷，避免发生过载状况，规划未来的容量需求，并分配内部各部门之间的能源成本。

TI拥有一个异常丰富的产品组合，其中包括MCU、模拟信号调理和处理、有线和无线连接以及用于BCM设计的电源管理。当工程师选择设备和设计BCM时，需考虑以下几个关键要求。

监测的通道数量（有些BCM需要84个通道，高度集成的多通道ADC或MCU将有助于节约系统物料成本。）

多通道同步采样（多通道ADC或集成MCU的ADC可以采用菊花式连接和同步采样频率。）

测量精度（信号调节、ADC分辨率、MCU处理能力等。）

通信能力。（隔离串行通信或基于以太网的解决方案）

其他信息：

子系统级参考设计包括：

TIDA-00221用于分支电流监视器的TI Designs测量模块

拥有7个电流通道的监视器

MCU内的24位∑-△ ADC可以采用菊花式连接

TIDA-00222 针对支路电源监视器参考设计的TI Designs测量模块

拥有7个电流通道和1个电压通道的监视器

电流和电压通道内的同步采样

源代码中可用的TI计量图书馆

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/05/09/tripping-point-server-power-protection-using-branch-circuit-monitors

水流监测在今天的经济结构中是否重要？

2016-05-31T09:30:45Z

您能否设想没有安装计程表的出租车会是什么样子？如果没有计程表，行驶一整天的费用或穿行两个城市的费用将会相同。同样，如果没有水表，则很难公平地对自来水供应收取费用。由此可见，各种仪表已经成为我们经济和生活方式中不可或缺的一部分，如科学测试、设备报警和维护、资源保护以及服务费用单。

什么是水表？公用事业提供商为何要安装水表？

水表是一种安装在水管上的测量仪器，其作用是持续监测流经水管的水，从而计算水的流量。

为商业和住宅地产供水的公用事业提供商安装水表的目的在于针对这项宝贵资源向客户收费，并有效地管理水资源的使用。一些人认为水表是针对供水服务最公平的收费方式。

还有其它几种使用水表的方式：

确定是否漏水，查看关闭水阀后水表是否继续记录水量数据，某个地方是否漏水。

测量水井的出水量。

区分多租户建筑中不同租户的用水量。

区分建筑内用水和绿化用水。专用灌溉表可以轻松监测灌溉用水，确保公用事业提供商仅对室内（而非室外）用水征收污水排放费。

水表的优势

安装水表对公用事业提供商和消费者来说都有裨益。利用水表的优势，公用事业提供商可以：

测量其客户的用水量。

根据水表收集的数据生成月度账单。

检测配水系统中有无泄漏和水管破裂。

监测供水情况（确保水量充足，可以供给每位客户）。

保护未来的供水服务，并为客户创造最高价值。

对消费者来说，水表的益处包括：

通过降低水费减少运营支出。

可以提高房地产价值。

即便建筑中有多家租户居住，也可以在房东的公寓楼内采用多个单独的水表来分别计量不同单元的用水量，按照各住户具体的用水量收取水费。

通过高效管理用水节约水资源。

如要更好地了解如何实现这些优势，必须首先了解水流测量和读取水表的方法。继续关注本系列下一篇博文了解相关信息。

了解您的水计量设计：

超声水流测量参考设计

使用时间数字转换的超声水表设计

使用扩展扫描接口(ESI)的双LC传感器用水表参考设计

水表系统方框图

欲了解更多关于我们用于全球智能能源网系统解决方案的信息，敬请访问ti.com/smartgrid和ti.com/flow。

设计你的下一个逆变器系统

2016-02-29T02:40:20Z

一家研究公司[1]预测表明，太阳能装机数量的增长将有可能在2015年实现历史性的25%；而全球太阳能的发电量也将从2014年的40GW猛增至50GW。在每一台太阳能能量采集器中，其中一个关键终端设备就是太阳能逆变器。太阳能逆变器，或者任何一种具有相似功能的器件，将接收直流 (DC) 输入，并且将其转换为可用于住宅或商业用途的标准电器和电子元器件的交流 (AC) 输出。虽然可以应用于任何高功率直流源，逆变器增长的最大部分仍然是可再生能源领域，特别是太阳能领域的应用。

当安装在住宅或公司中时，太阳能逆变器可以连接至电网，来抵消一部分能耗，或者，在某些情况下甚至将能量传回电网。为了实现这一目的，必须将其AC输出与电网电压同步，或者符合特定的安全要求，比如说在电网电压消失时关闭AC输出。我们可不希望工人在暴风雨之后维修高压线路时向电网输电。

传统上，一系列的太阳能板被连接至一个串型逆变器。这些逆变器接受大约600V DC（在使用住宅用串型逆变器的情况下）输入，等于几千瓦的太阳能装机容量。对于一个太阳能电站来说，一个逆变器需要具有合适的尺寸，但是将转换集中在一起（中央逆变器），并且在设计正确时，可以使得整个太阳能采集器系统的安装成本更低。另外一个拓扑是大小与单个太阳能板相匹配的太阳能微型逆变器，或者大约为200W至300W。通过分步执行逆变过程，太阳能阵列可以适应复杂程度高很多的屋顶，并且能够实现更小阵列的安装，而通常情况下，这些较小的阵列无法达到串型逆变器的输入电压。

这些不同类型太阳能逆变器的核心是几个重要的子系统：

数字控制器

一个典型的太阳能逆变器包括一个连接至电网，用于DC-AC的全桥，以及一个连接至太阳能板，增强逆变器输入电压，以使其能够将电力馈入电网的DC-DC级。太阳能逆变器的目的是从太阳能板中提取最大功率，并且将洁净能源馈入电网。为了确保这一点，功率级电压和电流必须被准确采样，并且需要为DC-AC和DC-DC中的电源开关准确生成脉宽调制 (PWM)。通过更快地感测线路负载变化，一个数字控制器可以更加高效，并且会由于更高工作频率而具有更大的功率密度，此外，由于我们使用的是一个完整的中央处理器元件内核，数字控制器能够提供某些用于系统级集成的其它功能。

隔离

在很多功率电子元件设计中，克服电压限制是一个巨大问题。为了感测和控制这些电压，我们使用电容隔离器件。这些器件使得高频信号能够穿过功率边界，但是阻断高压DC。这项隔离技术具有较长的使用寿命和低电磁辐射，从而使其非常适合于工业应用。在这些逆变器中，我们还使用隔离式电源，这样的话，我们可以有效地在隔离边界的另一侧为电子元器件供电，并且为高压MOSFET和IGBT供电，以控制电源路径。

栅极驱动器

为了对电源路径进行控制，我们使用MOSFET和IGBT。这些器件的设计目的是为了能够开关极高电压和电流，这使得它们成为逆变器中数字降压转换器的理想选择。使用这些器件的关键在于正确地驱动它们。输入运行为电容器，每次开关FET时，必须对电容器进行充放电。当按照逆变器所要求的高速度来开关这些器件时，会需要几安培的电流来驱动它们。如果开关速度不够快，转换级的效率会受到巨大损失。为了达到这一目的，可以使用专用驱动器，这些驱动器将来自控制器的数字PWM转换为FET所需的电流。

其中一个即将出现的趋势就是监视和控制住宅/商用太阳能装机数量的能源生产统计数据。在太阳能采集器系统中，增加ZigBee®, 6LowPAN等低功率无线连通性标准，或者诸如电力线通信 (PLC) 的有线通信变得越来越常见。一旦被连接至回程网络，将输入传至云端，用户可以在任何地方轻易地查看这些数据。此外，通信系统可以被用于系统监视，以及警告拥有者任何可能即将出现的养护工作。

有几款全新的TI Designs参考设计可以帮助工程师们加快太阳能设计的上市时间。请一定要查看针对太阳能逆变器系统解决方案的太阳能逆变器页面。此外，查看我们全新的“这些系统是我们的生活更简单”培训系列；在这个培训系列中，会对你的下一个太阳能逆变器设计与制造进行更加深入的系统讨论。

其它资源：

观看我们的这些系统使我们的生活更简单视频系列。
如需获得更多信息，请访问我们的太阳能串型逆变器页面。
查看我们的太阳能微型逆变器方框图。
查看这些TI Design参考设计：

原文链接：

https://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2016/01/07/designing-your-next-solar-inverter-system

扔掉变流器—第3部分：如何在多相位计量系统中使用分流传感器

2016-01-05T08:54:19Z

由于将分流器用作电流传感器时所具有的很多优势，它们经常在计量系统中被用作电流传感器。

不过，正如这一系列的上一篇文章中所谈到的那样，由于分流器缺少隔离功能，使它们在多相位测量中无法充分地发挥作用。在三相位星形系统中，根据Kirchhoff的电流定律，中性电流是3个线路电流的总和。因此，在Live_In和Live_Out连接之间放置一个分流器是测量单个相位电流的唯一方法。如果三个相位都使用这种方法连接的话，这将会使具有破坏性的高电压出现在测量设备的引脚上。

为了解决在多相位计量系统中使用分流传感器时出现的复杂问题，我们在近期发布了一款全新的TI Design参考设计，演示了在三相位计量系统中使用隔离式电流传感器的方法。

这个全新的TI Design参考设计，TIDA-00601，使用具有集成LDO的AMC1304M05加强型隔离式增量-累加调制器，以及超低功耗MSP430F67641微控制器 (MCU)，设计出一个具有电流隔离分流传感器的0.5% 类别的三相电能测量系统。这个参考设计的方框图显示如下。

图1：TIDA-00601方框图

在这个设计中，AMC1304M05调制器的电压输入范围在无需外部增益放大器的情况下，能够实现对分流器上压降的准确测量。相对于模拟输入，每个AMC1304M05的比特流输出被隔离。特别是，器件的隔离格栅，按照DIN V VDE 0884-10，UL1577和CSA标准，经证明能够提供高达7000 VPEAK的增强型隔离。高达1.0kVAC RMS的工作绝缘电压可以使得每个AMC1304M05的输入被连接至不同的通电线路上，与此同时，调制器的数字比特流共用同一个接地基准。这个特性在测量设备上不会出现任何有害电压的前提下，确保了电流感测。

一旦AMC1304M05调制器输出了相应的比特流，那么MSP430F67641 MCU就从每个相位中取出数据，并且使用其数字滤波器来获得针对每个相位的电流样本。同时，MCU使用其内部SAR数据转换器来获得针对每个相位的电压样本。通过使用针对每个相位的电压和电流样本，MSP430F67641计算出以下参数：有功和无功功率、RMS电流和电压、功率因数和线路频率。

可以通过PC校准GUI工具，或者在板载LCD上查看计量参数。当用于计量参数观察的PC校准GUI选项被选中时，计量参数通过RS-232由电路板传送到PC。通过使用ISO7321，RS-232连接能够提供高达3kV的隔离，这样的话，即使在电路板被接至主电源时，PC GUI也可运行。

由于只讨论了这个设计的基本特性，如果你希望了解与这个设计相关的更多信息，请查看TIDA-00601 TI Design参考设计，并观看下方的视频。此外，如需进一步了解TI技术在计量系统中的应用，请访问www.ti.com/metering。

其它资源：

下载具有隔离式分流传感器的多相位能量测量参考设计
在这部培训视频中进一步了解分流传感器
你是不是错过了这一系列的前两篇博文呢？它们的链接就在下方：

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2015/09/30/ditching-the-current-transformer-part-3-how-to-use-shunt-sensors-in-poly-phase-metrology-systems

淘汰电流互感器 —— 第2部分：克服使用分流式电流传感器的弊端

2015-10-14T08:58:05Z

由于我们已谈论了使用分流器的好处，现在让我们再探讨一下使用分流器的弊端以及如何克服它们。

使用分流器的一个特定弊端就是：会在现有前端电路中产生功耗。一些标准限制现有前端电路内允许的最大功耗。其结果是，分流器允许的最大电阻值可能受限于给定的最大电流。

因为分流器允许的最大电阻值可以很小，所以分流器产生的电压输出也可以很低。为了补偿分流器的低电压输出，经常用增益放大器来提升分流器的电压，以确保分流器的最高电压输出接近模数转换器（ADC）能精确检测的最高输入电压。可从外部将这个增益放大器添加到该ADC。这个增益放大器还可以是可编程的，能集成到该ADC内，如下面的超低功耗MSP430F6736A微控制器Σ-△型ADC图所示。

具有集成式可编程增益放大器（PGA）的MSP430F6736A Σ-Δ型转换器

在选择该增益放大器的增益时，应将馈入ADC的峰值电压（V_{in, RMS}*增益*√2）最大化，但须遵从这样的约束条件：该峰值电压仍应低于可被精确检测的最高电压。作为可提高该分流器电压输出的替代方案，具有较小模拟输入范围的器件（如带集成式低压差稳压器 (LDO) 的AMC1304M05增强型隔离Δ-Σ调制器）可用来检测跨该分流器的电压降。这就是在具有隔离分流式传感器（TIDA-00601）的多相电能计量TI Design参考设计中采用的方法。

使用分流器的另一个弊端是：分流器的电阻会随温度而变化。因此，电流的检测值以及依赖电流的气象参数也将随温度而变化。为缓解该状况，应选择这样的分流器 —— 它们拥有的温度系数至少要小于在温度范围内保持所需精确度要求的温度系数。

最后，分流器没有隔离功能，所以在未使用附加电路来提供隔离的情况下分流器不能被用作多相系统的电流传感器。如果试图将分流器连接到测量装置却没有提供隔离的方法，该测量装置会使其引脚接触到不同的相位电压，这将损害该测量装置。那么，我们如何才能突破这种限制性？为了找到答案，请继续关注本系列的下一篇博客。

其它资源：

查阅与我们的超低功耗MSP430F6736A MCU相关的更多信息
进一步了解具有集成式LDO的AMC1304M05增强型隔离Δ-Σ调制器
查看具有隔离分流式传感器的多相电能计量参考设计
观看这个培训视频，以便了解关于我们的分流式传感器的更多详情
阅读本博客系列（讨论的是“淘汰电流互感器”）的其余部分：
第1部分：使用分流式电流传感器的好处
第3部分：如何在多相计量系统中使用分流式传感器

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2015/09/10/ditching-the-current-transformer-part-2-overcoming-the-disadvantages-of-using-shunt-current-sensors

淘汰电流互感器（第1部分）：使用分流式电流传感器的好处

2015-09-10T08:44:00Z

作者：Mekre Mesganaw

基本运行

在世界各地，随着人们不断投资于智能化程度更高的电网，传统的机电式电能表已变得不足以使电网现代化带来的利益最大化。其结果是，这些较旧的机电式电表正在被电子式智能电表所取代。这些全新的电子式电表在运行时通过使用模数转换器来检测电源电压以及从负载（如一所房子）汲取的电流。为了以适当的方式检测电源电流，要用电流传感器把从客户负载处汲取的电流转换成能由模数转换器检测的电压。可用来完成这种转换的一种特殊电流传感器是分流器。

如下面的图1所示，分流器根据欧姆定律运行 —— 其中电源电流流过分流器的输入端子，产生的跨分流器输出端子的电压被馈入模数转换器供检测。由于跨分流器输出端子的电压与流过分流器的电流是成比例的，所以通过应用适当的比例因子，检测到的电压可被转换回来以表示电流。

注意，尽管下图仅展示了分流器上的两个端子，但在实践中经常用到五端子分流器。在这个方案中，五个端子中的四个都被用来提供四端子检测功能，以便允许精确测量跨分流器的电压。第五个端子既被用来向电表提供电力，也被用来测量传送到客户负载的电源电压。

图1在电能计量系统中的分流器使用

分流器的优势

讨论完分流器的基本运行，让我们来谈谈使用分流器的一些好处。首先，它们是不具有任何磁性组件的简单电流传感器。因此，它们不容易受到磁篡改，这一点不同于电流互感器（CT）传感器。在市场（其中电能窃用问题让人忧心忡忡）上，这个有利之处正是分流器经常被用作电流传感器的原因。

此外，分流器还相对便宜。由于静电计市场的成本约束性，这使得在单相电表中采用分流器当作电流传感器的举措具有高度吸引力。

分流器的另一个优势是，它可用来测量直流（DC）电流，这一点也和CT或罗柯夫斯基线圈有所不同。对特定应用而言，该优势特别有用。一个这样的应用（可受益于该优势）是将分流器用于服务器电源的分项计量，因为有些数据服务器可使用来自不间断电源（UPS）的DC电力。

当接触较高频率的信号时，分流器还显示出比CT更低的谐波相移。这使采用分流器的做法成为电源质量监测器极富吸引力的选择 —— 电源质量监测器可分析电压和电流的谐波，以确保提供给消费者的电源电压的质量以及消费者负载所产生的电流波形的质量。

最后，与CT不同的是，分流器不具备跨温度或输入电流的任何固有相移；但请记住，这并不意味着没必要执行相位补偿。因为存在可引起电压和电流之间非预期相移的其它相移源（如抗混叠滤波器），所以为了在功率因数较小时确保高准确度，相位补偿仍将必不可少。既然如此，这确实意味着当输入电流或温度改变时，可能根据所选择的CT发生相位误差变化。其结果是，使用电流互感器时的系统相位误差会比使用分流器时的系统相位误差变化大。这种较大的相位误差变化会使简单准确地进行相位校准变得更难，因此有可能导致跨温度或电流测量的功率误差发生变化。

由于我们讨论了使用分流器的有利之处，所以您可能想知道使用分流器的不利之处。为了找到答案，请继续关注本系列的下一篇博客。

其它资源：

通过这个培训视频进一步了解分流式传感器
具有隔离分流式传感器的多相电能计量参考设计

原文链接：https://e2e.ti.com/blogs_/b/smartgrid/archive/2015/08/11/ditching-the-current-transformer-part-1-advantages-of-using-shunt-current-sensors