用于计量IC模拟输入的外部滤波器

本应用笔记探讨了减少Maxim Teridian™电能计量IC产品组合中串扰和不准确等不良副作用的方法。在简要介绍ADC输入之后，本文讨论了不同电容和电阻对计量IC的影响，以及使用铁氧体磁珠来降低RF敏感性。

介绍

本应用笔记讨论了连接到Maxim系列Teridian电能计量IC模拟输入端的外部滤波器的设计。在大多数情况下，这些外部滤波器将是低通滤波器，有助于抑制高频信号，例如来自光伏逆变器的噪声。讨论了过滤器设计和组件选择的注意事项。遵循这些准则将确保避免不必要的副作用，例如串扰、温度不准确或负载电流相移。

基本ADC输入概念

Teridian 71M6531/71M6532/71M6533/71M6534系列IC的ADC输入多路复用到无缓冲的开关电容网络。图1显示了当多路复用开关在一个输入上闭合时，该网络的理想简化等效电路。有两个时钟（θ1 和 θ2）驱动异相 180 度的开关（P1 和 P2）。

图1.开关电容输入网络的简化等效电路。

当P2闭合时，P1断开，电容（C）充电至V的输入电平在.当P2打开而P1闭合时，就会发生相反的情况，即电容电荷被转移到表示为V的FIR滤波器外.由于时钟的频率约为5MHz，因此理想情况下，传输应在大约2/（5MHz）范围内发生。Maxim建议在ADC输入端使用1000pF电容作为“电荷”储能器，以促进这种传输。此外，Maxim建议在相电流ADC输入端使用串联电阻，以平衡相电压电阻分压器串上的750Ω端接电阻。Maxim在演示板中使用750Ω电阻，如图2所示。

图2.演示板电压和电流输入电路。

图3显示了元件对开关电容等效电路的影响。它包括输入多路复用器和P2开关的阻抗。

图3.带 RC 输入的开关电容器网络。

有关P2闭合且P1断开时开关电容（C）上的电压，请参见公式1。设计目标是在开关 P1 闭合之前让 VC 稳定大约 5 tau。如果不稳定，则效应变为A/D通道中的增益失调。只要失调不超过2倍（即CAL_Ix和CAL_Vx的范围），就可以通过幅度校准来补偿该增益失调。

 

（公式1）

 

如果需要或需要，低通滤波器可以代替平衡电阻和储能电容。上面讨论的开关电容网络ADC输入的概念有助于理解该电阻的选择以及ADC精度的电容值。

选择电容器的类型

根据元件的用途，选择的电容器类型可能是一个重要因素。如果电容器用作储能电容器以促进开关电容器网络中的电荷转移，则可以使用X7R型电容器。该储能电容使用推荐的Maxim值（1000pF和750Ω）和阻抗平衡电阻构成低通滤波器。该低通滤波器形成一个212kHz、3dB的频率点，对目标频率响应的影响极小，通常高达基频的20次谐波。

如果使用抗混叠滤波器或抑制高频噪声的滤波器（通常是低通滤波器），这些滤波器类型通常会形成较低的3dB频率点，影响基频增益和相位。在这些情况下，电路元件的选择更为关键。

由于其特性，NPO型电容器将是电容器的更好选择。它在整个温度范围内比 X7R 型电容器更稳定，通常为 ±30ppm/°C vs. ±15%（-55°C 至 +125°C 范围内为 ±883ppm/°C）。此外，NPO型电容器的低交流频率和电压特性优于X7R型电容器。

图4显示了50Hz小幅度信号对NPO型和X7R型电容器的影响。被测试的NPO型电容器具有几乎相同的响应，但X7R型电容器显示出电压系数。随着仪表负载电流的变化，电容的这种变化是Wh随相位变化不准确的来源。

图4.50Hz幅度信号对NPO型和X7R型电容器的影响。

图5以电容变化百分比的形式显示了这种不精度。为了说明这种效果，请考虑一个典型的200A电流。有效值使用电流互感器 （CT） 的仪表，校准电流为 30A有效值用于室温下的幅度和相位。如果电流ADC输入端带有负载电阻的CT传感器的交流电压为0.177V有效值在 200A 时有效值，则交流电压为200A有效值仪表校准电流为 30A有效值为 0.027V有效值.电容的变化约为1.5%。当功率因数（PF）从1.0变为0.5时，这种差异成为电流通道上的未补偿相移，并成为Wh读数不准确的来源。

图5.由于电容漂移导致的不准确。

最后，NPO型电容器比X7R型电容器具有更好的老化特性。图6显示，X7R电容随时间推移而减小。这种减少是由电容器内电偶极子的松弛或重新对齐引起的。NPO型电容器不会遇到这种现象。

图6.老化电容器的影响。

选择电阻器类型

为平衡电阻或低通滤波器选择的电阻类型不如所选的电容器类型重要。平衡电阻和低通滤波器均可使用1%电阻，因为它们通常成本较低，并且在幅度校准期间对其容差进行补偿。应注意为低通滤波器选择最佳温度系数，以减少Wh精度在整个温度范围内的不准确性。

射频抑制滤波器

电表设计面临的最大挑战之一是射频敏感性。随着功率计内用于自动抄表（AMR）的更强大的无线电设备的出现，计量IC附近的RF场已经超过了计量标准中列出的水平。为了抑制这些RF场，许多电表设计人员使用铁氧体磁珠来“燃烧”这些RF能量。

典型的方法是将铁氧体磁珠放置在相电压和相电流进入印刷电路板（PCB）的点处，以在RF能量进入任何电路之前“烧掉”RF能量。然而，似乎有一种设计趋势，即把铁氧体磁珠放在更靠下线的地方，在某些情况下，直接放在计量IC的ADC输入端。这种趋势可能是由于天线位置，射频能量仍然进入PCB的电路。

Maxim发现，将铁氧体磁珠与71M653X的ADC输入直接串联会导致Wh读数随温度变化不准确。这些不准确性是由铁氧体磁珠电感与开关电容器网络的相互作用引起的。铁氧体磁珠被建模为电感和电阻。图7显示了开关电容网络的简化等效电路，其中包括铁氧体磁珠模型。

图7.带铁氧体磁珠的开关电容器网络的简化等效电路。

当P2闭合而P1开路时，模型成为经典的RLC电路。等式2、3和4显示了该电路的电流环路计算结果。

 

（公式2）

 

哪里

 

（公式3）

 

阻尼系数是

 

（公式4）

 

阻尼因子的值决定了电流的行为。

如果δ > 1，即过阻尼，则计算

 

（公式5）

 

如果 δ = 1，即临界阻尼，则计算

 

i（t） = D1特-α吨+ D2e-α吨

（公式6）

 

如果δ < 1，即阻尼不足，则计算

 

i（t） = B1e-α吨（COSΩdt） + B1e-α吨（辛格dt)

（公式7）

 

和

 

（公式8）

 

为了计算阻尼因子值，需要确定铁氧体在信号频率下的L和R。以村田制作所BLM15HD102SN1D的特性为例，如图8所示。L 约为 1μH，R = 0.1Ω（在此讨论中使用直流电阻），范围为 50Hz 至 60Hz。

图8.用于计算阻尼系数值的示例特性。

使用这些值和 R西 南部= 50Ω，阻尼系数为0.08，即欠阻尼。图9显示了底部信号中这种欠阻尼响应的衰减振荡响应。

图9.ADC输入端带铁氧体磁珠的开关电容电压。

在图9中，单端ADC输入为0.25V。红色信号为 P1。蓝色信号是开关电容（C）两端的电压，L = 1μH， R = 0.1Ω， R西 南部= 50Ω，C = 10pF。绿色信号是开关电容 （C） 两端的电压，L = 2μH， R = 0.1Ω， R西 南部= 50Ω，C = 10pF。

请注意，当L值随温度从1μH变化到2μH时，响应会发生变化。由此产生的偏移值与室温下补偿的幅度不同，即使在PF = 1时，Wh读数也会产生不准确。由于这种效应，Maxim建议不要将铁氧体磁珠直接与ADC输入串联。

如果在计量IC附近使用铁氧体磁珠，Maxim建议将其放在平衡电阻和储能电容之前（见图10）。

图 10.建议在ADC输入附近放置铁氧体磁珠。

图11显示了这种放置在顶部信号中的影响。在 P1 闭合之前，响应会迅速减弱。另一种方法是在铁氧体磁珠和ADC输入之间放置一个电阻，并改变阻尼因数。

图 11.ADC输入端具有铁氧体磁珠和RC的开关电容电压。

在图11中，单端ADC输入为0.25V。红色信号为P2。蓝色信号是开关电容 （C） 两端的电压，L = 1μH、R = 750Ω 和 C = 1000pF。

结论

由于采用无缓冲开关电容网络，因此在选择与Teridian电能计量IC的Maxim产品组合的ADC输入接口的滤波器元件时必须小心。正确的选择将避免副作用，例如串扰、温度范围内的不准确性或由于负载电流上的额外相移而导致的不准确性。

审核编辑：郭婷