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利用PWM和PAM量測AC功耗

2015年09月25日  | Adolfo Mondragon

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透過採樣電壓與電流的乘積並進行平均處理,可以完成60Hz電路的平均功耗測量(相當於VRMS×IRMS×cos(o))。這裡要求四象限乘法,因為暫態電壓和電流可能具有相反的極性。四象限乘法有很多種實現方法,包括類比數位(A/D)轉換+數位訊號處理,或者使用相對昂貴的類比乘法器晶片+類比或數位處理。


本設計實例介紹了第三種方法。這種方法使用便宜的運算放大器和類比開關實現脈衝寬度/脈衝幅度調變器(PWM/PAM)並把它用做四象限乘法器。這種電路經過修改可支援許多不同的應用。


PWM/PAM乘法器的基本概念是,一個(非重疊)脈衝波形在單個週期內的平均值等於脈衝面積除以脈衝重複週期。由於每個矩形脈衝幅度與電壓值成正比,寬度與電流成正比,因此矩形面積和電壓與電流的乘積成正比。


圖1 使用脈衝調變技術測量交流功耗
圖1 使用脈衝調變技術測量交流功耗

如果脈衝重複速率遠高於被測頻率,那麼就可以假設在脈衝波形的一個週期內電壓和電流不會有明顯的變化。PWM/PAM輸出連到一個低通濾波器,用於濾除脈衝頻率及其諧波,並恢復出想要的平均值。


電路共使用了兩個變壓器:一個是降壓變壓器TR1,用於產生低電平的電壓訊號;另一個是電流變壓器TR2,用於產生低電平的電流訊號,並具有完全的電流隔離性能。


圖2 IC1-B(-)輸入
圖2 IC1-B(-)輸入

運算放大器IC1-A用作比較器,產生頻率約為6kHz且相當線性的三角波(如圖2)。為了取得低於滿刻度1%的誤差,這種過度採樣(over-sampling)是必需的(100乘以60Hz訊號頻率,或50乘以理論上的Nyquist頻率)。


三角波的峰對峰幅度必須滿足兩個條件才能獲得可接受的線性回應。首先,它必須大於或等於T2產生的交流電流最大峰對峰值電壓,這樣才能實現100%的PWM占空比。其次,它必須至少比正負VCC低10%。


圖3 IC1-B輸出
圖3 IC1-B輸出

運算放大器IC1-B被配置為產生零基線的雙極方波(如圖3),其占空比取決於T2產生的電流訊號的瞬間值。電容C2用於獲得陡峭的輸出電壓轉換。運算放大器的迴轉率(slew rate)必須大於等於10V/微秒,以便產生最佳方波PWM訊號。


當T2產生的暫態電流訊號值為0時,IC1-B將輸出占空比為50%的訊號。隨著電流訊號從0增加到滿刻度,占空比隨之從50%增加到100%。當電流訊號從0降低到負的滿刻度時,占空比將從50%減小到0%。


運放IC2-A、開關IC3-A和相關的電阻實現了一個四象限的乘法器,實現形式相當於增益為+1(開關閉合)或-1(開關斷開)的放大器。開關由IC1-B的PWM輸出進行控制。當IC1-B的輸出為正時,開關閉合,當IC1-B的輸出為負時,開關斷開。除了幅度與電壓成正比外,由此從IC2-A產生的輸出(圖4)其實就是IC1-B的PWM輸出的簡單重複(占空比與電流成正比)。


圖4 IC2-A輸出
圖4 IC2-A輸出

IC2-B是電路的最後一級,是一個低通濾波器,用於濾除6kHz的PWM頻率及其諧波與60Hz調變訊號。它的輸出與PWM訊號的平均值成正比,因此就是平均的60Hz功耗值。





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