輸入功率和RMS電流測量解決方案

今天，包括離線電源真實輸入功率和輸入RMS電流測量在內的能耗實時測量，正變得愈加重要。這些測量可用於調節供電和優化能源利用。例如，安裝有許多伺服器的一些數據中心對伺服器層輔助功耗測量就很感興趣，因為這樣可以實現低成本數據服務，並對低功耗工作期間的處理能力進行智能的管理。輸入功率和電流的一般測量方法是使用一個專用功率計晶片和附加檢測電路。儘管功率計晶片能夠提供可接受的測量結果，但它大大增加了成本和設計工作量。

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測量裝置

圖1顯示了由一個數字控制器進行電源隔離控制的傳統PFC裝置。輸入線路和中性點電壓通過一個衰減網絡檢測，之後由兩個單獨的模數轉換器 (ADC) 輸入採樣。電流信號經由一個分流器檢測，然後被信號調節電路放大和濾波。之後，連接至一個ADC進行電流環路控制。由於輸入電壓和電流測量已經具備，因此可用它們來測量輸入功率和RMS電流。一樣的傳統PFC裝置用於這些測量，無需傳統專用功率計晶片和附加檢測電路。

圖1 輸入功率和電流測量PFC裝置

電流測量與校準

電流檢測信號調節電路(圖1)一般由一個運算放大器和一個低通濾波器組成，目的是放大小檢測信號和去除高頻噪聲。之後，通過一個ADC測量該信號，並以ADC計數報告。為了獲得真實的電流值，需把ADC計數轉換為以安培為單位的電流。ADC計數與安培的關係可由原理圖推導得出;但是，組件容差可能會使測量精確度變得不可接受。因此，需要進行一次校準。

電路如圖1所示，在任何時候，分流器的輸入電流(單位毫安培)均為：

計算得到的ki和mi為小數，小於1,而PFC應用的大多數數字控制器均使用定點數學計算。為了降低計算的化整誤差和保持足夠高的精確度，把這些小數值乘以2N,然後四捨五入為最為接近的整數。例如，如果PFC電路的電流檢測增益和偏移量計算得到為ki= 1.59和mi= 229.04,則ki乘以28,然後四捨五入為407;mi乘以20.電流斜率和偏移量分別為：

其中，iin_slope = 407,iin_slope_shift = 8,iin_offset = 229,而iin_offset_shift = 0.

計算得到輸入功率和RMS電流以後，如果ki和mi為倍數，則不要直接使用它們，你可以先使用iin_slope和iin_offset來做乘法運算。然後，使用iin_slope_shift和iin_offset_shift來轉換結果。例如，不要使用y = ki× x + mi× z進行計算，而要使用下面的計算方法：

電壓檢測電路十分簡單，它可以只是一個分壓器，如圖2所示。一般，會有一些箝制二極體來保護ADC引腳。由於二極體的反向漏電流影響ADC的測量精確度，因此應選擇使用低反向漏電流的二極體。

圖2 AC輸入電壓檢測電路

任何時候，輸入電壓均為：

其中，kv為電壓檢測增益，Cv為ADC轉換輸出(計數)，而mv則為電壓檢測偏移量。Kv和mv的校準方法類似，都是對電流檢測增益和偏移量進行校準。但是，一種更加簡單的方法是只需根據原理圖進行計算。由於沒有了校準，因此分壓器使用的電阻會影響測量精確度。我們推薦把低容差電阻器用作分壓器，例如：0.1%容差。

一個12位ADC和2.5V基準電壓的數字控制器，輸入電壓被分壓器衰減至2.5V以下。這樣，經過衰減的信號被ADC轉換為數位訊號。因此：

與輸入電流測量類似，需要對電壓檢測增益和偏移量進行一些操作，以使其適應定點微處理器，並降低計算誤差。

VIN和IIN相互關係

真實輸入功率定義為：

其中，N為總採樣數。方程式13表明，需同時對VIN和IIN採樣。但是，VIN和IIN卻是由兩個不同的ADC通道在不同時間採樣。即使是很小的時間差，也會引起測量誤差。在一些數字控制器中，例如：TI UCD3138等，具有一種被稱作「雙採樣保持」的機制，其允許兩種通道同時採樣，從而消除了這種誤差。

由於電流檢測電路中使用了低通濾波器，受測電流信號出現延遲，並且實際電流存在相移。圖3顯示了這種情況，圖中，通道2為實際電流信號，通道1為經過放大的相同信號，其隨後經低通濾波器輸出。該放大信號有約220 μs的相位延遲。需要對這種延遲進行補償，否則它會影響輸入功率測量的精確度。一種簡單的補償方法是，讓VIN-sense信號延遲約220μs,然後使用該經過延遲的VIN信號來進行輸入功率計算。所以，如果每隔20μs測量一次VIN,則需要對其延遲220/20 =11次。

圖3 電流檢測相移

真實輸入功率計算

組合方程式1、7和13,得到：

輸入RMS電流計算

圖1所示數字控制器所進行的電流測量並不代表總輸入電流，因為電磁幹擾(EMI)濾波器中電容的作用未包括在內。在高線壓和輕負載條件下，這種濾波器電流不再可以忽略不計，必須將其包括進來，以實現精確的輸入電流報告。

圖4顯示了一種簡化版的EMI濾波器，我們去除了電感器，並使用一個單電容器(C)來代替總電容。圖中，IEMI為EMI電容器的RMS電抗性電流，IMeasure為數字控制器測量的輸入RMS電流，而IIN則為總輸入RMS電流。

圖4 簡化版EMI濾波器的電流

EMI濾波器產生的電抗性電流為：

使用離散格式，它可以寫為：

測試結果

這種輸入功率和RMS電流測量方法在一個360W的PFC評估模塊上進行了測試。結果(表1)表明，這種方法擁有優異的測量精確度。

表1 輸入功率和RMS電流測量的測試結果

結論

特點：

極低的成本

簡單的兩點校準

使用雙採樣保持，VIN和IIN同時採樣

固件EMI電流補償

固件電流檢測，相移補償

優化的數學計算，CPU使用開銷較少

本文介紹的這種新穎、低成本且精確的輸入功率和RMS電流測量解決方案，使用現有的數字功率因數校正(PFC)控制晶片和硬體，以及簡單的兩點校準和優化數學計算。這樣便可提供優異的測量精確度，並極大降低成本和減少工作量，同時不影響正常的PFC控制。