單一 IC 就能解決單相能量量測難題

「能量」和「功率」是近期非常熱門的討論話題。除了電路或系統使用量的「微觀」層面，也有關於 AC 線路能量和功率的一些考量，主要是能源使用、節能和再生能源方面。讓我們來看看這些術語的實際含義，以及如何有效地進行測量。

工程科系的學生在入門課程就會學習「能量」與「功率」的含義。兩者雖然相關卻有明顯差異，但現實中又經常在日常對話和報告中交換混用，甚至工程師之間也是如此！

正式來說，能量是做功能力，功率是能量的消耗率或取得率。以數學觀點來看，功率是能量的時間導數，能量是功率的時間積分。

均方根 (RMS) 電壓和電流值，在功率和能量分析上非常重要。以數學角度來看，時變電壓 f(t) 的 RMS 值可用以下方式計算：

方程式 1

其中 T = 波形期。

請注意，針對未失真的基本正弦波，其峰值 AC 電壓和 RMS 值間有個簡單的關係：

方程式 2

一般情況下，RMS 值有何意義？AC 訊號的 RMS 值，會將某個未知 AC 訊號和已知 DC 訊號在相同負載上的加熱值進行比較，此 RMS 值等於在負載中產生相同熱量所需的 DC 電流量。當負載中的功耗相等時，已知的 DC 電壓等於未知 AC 訊號的 RMS 值。

舉例來說，如果對電阻加熱元件施加 1 V AC RMS，產生的熱量會與 1 V DC 產生的相同。事實上，某些電子時代前的 RMS DC 儀器就在配置中採用 DC 電源和未知的 RMS 來源來加熱相同的電阻。DC 電源接著會調整，讓電阻溫度相符；便可得出 RMS 值。

雖然確定 RMS 值很難，但所幸 IC 利用全類比運算組態，因此相當輕易就可得出數值 (圖 1)。在此電路中，Analog Devices AD628 可編程增益差動放大器 (在此配置中衰減因數為 25) 會將電源線路訊號縮小，然後施加至 Analog Devices 的 AD8436 RMS 對 DC 轉換器。

圖 1：這款雙 IC 全類比電路提供的一個 DC 輸出，代表 AC 電源線路的 RMS 輸入。(圖片來源：Analog Devices)

此差動放大器具有 ±120 V 共模輸入和差動模式範圍，因此很適合劃分高電壓電源線路。AC 波形 RMS 值的精準 DC 當量，會在RMS OUT 端提供。

當前的 AC 線路還有許多要精進

全類比的 RMS-DC 作法雖然管用，但僅可傳達單一資訊。在目前的能源管理環境中，除了 RMS 值之外，系統還要更進一步瞭解單相 AC 波形。

但困難的是，AC 電壓並非單純簡單的正弦波，與標稱值具有許多偏差，而且會產生失真。此外，負載很少是純電阻，因此電壓波形和電流波形之間會有移相。整體來說，有些屬性只能利用其他數位驅動的數字分析來確定。

具有自動校準能力的 Analog Devices ADE9153A 能量量測 IC，在目前的 AC 線路現況下能有傑出表現 (圖 2)。其目標應用包括像是單相能量計、能量與功率量測、街道照明、智慧型配電系統，以及機器運行狀況監測。ADE9153A 具有 10 MHz 高速序列周邊裝置介面 (SPI) 連接埠，可存取 ADE9153A 暫存器。能以 3.3 V 電源電壓運作，採用 32 引線 LFCSP 封裝。

圖 2：具自動校準能力的 ADE9153A 能量量測 IC 預計用於單相應用，並內建類比和數位功能區塊，有利於詳細分析。(圖片來源：Analog Devices)

ADE9153A 不只有將 AC 線路的電壓和電流值數位化的基本功能，還有其他許多能力。更具有進階計量引擎，能計算重要的能量／功率相關結果，並能計算線路電壓和電流、有功能量 (Wh)、基本無功能量 (VARh)、視在能量，以及電流與電壓 RMS 計算。

ADE9153A 還能進行功率品質量測，例如零交叉偵測、線路週期計算、角度量測、驟降與驟升、峰值和過電流偵測，以及功率因素 (PF) 量測。除此之外，更支援主管機關制訂的的標準，例如有功能量標準 (IEC 62053-21、IEC 62053-22、EN50470-3、OIML R46 和 ANSI C12.20) 和無功能量標準 (IEC 62053-23 和 IEC 62053-24)。

效能源自感測器通道

透過任何進階能量量測裝置特點和功能所達到的實際效能，都大幅取決於感測器通道的效果和可靠度。ADE9153A 可透過兩種作法因應這些問題：針對電流和電壓感測器提供適當的實體連線，以及採用獨特的校準機制。

ADE9153A 有兩個電流通道。通道 A 是一種複雜的資料路徑，且經過最佳化，可搭配分流器使用，可參見圖 3 的簡化與詳細路徑。

圖 3：在此顯示電流通道 A 的簡化應用電路並搭配分流器電流感測器 (頂端)；亦顯示詳細的電流通道 A 資料路徑 (底部)。(圖片來源：Analog Devices)

通道 B 則搭配比流器，如圖 4 顯示的簡化與詳細路徑圖。請注意，電流通道 B 含有數位積分器，可介接羅氏線圈等 di/dt 電流感測器。

圖 4：在此顯示電流通道 B 的應用電路，並搭配比流器當作電流感測器 (頂端)；亦顯示詳細的電流通道 B 資料路徑 (底部)。(圖片來源：Analog Devices)

同樣地，ADE9153A 具有單一電壓通道及其專屬的資料路徑，如圖 5 的簡化與詳細路徑所示。

圖 5：在此顯示簡化的應用電路，可透過電阻分壓器感測電壓 (頂端)；亦顯示電壓通道資料路徑的詳細線路圖 (底部)。(圖片來源：Analog Devices)

通道校準的挑戰不斷，對此，ADE9153A 結合 mSure 自動校準功能，可大幅減少校準時間、人力和設備成本。如此一來，將分流器電阻當作電流感測器使用時，儀表就能自動校準電流和電壓通道，無需使用準確的電源電表或參考電表。

儀表一通電即可測量每個通道的轉換常數 (CC)。只要取得這個數值，就足以執行自動校準 (轉換常數是 mSure 在預估感測器和前端元件的傳輸函數時傳回的值)。mSure 自動校準功能支援業界標準 Class 1 和 Class 2 儀表。雖然沒有任何數值能夠多方捕捉此 IC 的準確度，但 1% 是個很好的一階工作結果準確度值。

綜合考量

ADE9153A 等進階 IC 既強大也精細，但要設定和充分發揮其潛力並不容易。為了解決此問題，Analog Devices 針對 ADE9153A 提供 50 頁的規格書與其他說明文件，包括電路板佈局的最佳實務詳情，以及其他技術見解 (參見「相關內容」)。

也提供 EV-ADE9153ASHIELDZ 評估擴充板進一步支援設計導入，其以 Arduino 擴充板平台為基礎打造 (圖 6)。此擴充板具有板載分流器電阻，可用於線路電流量測，並可針對採用 ADE9153A 的能量量測系統進行快速評估與原型開發。

圖 6：EV-ADE9153ASHIELDZ 評估擴充板屬於 Arduino 擴充板，能針對採用 ADE9153A 的能量量測系統加快評估及原型開發速度。(圖片來源：Analog Devices)

板載分流器可進行線路電流量測，可處理 5 A 標稱電流，最多能處理 10 A。支援高達 240 V RMS (標稱) 線路中性電壓量測。

此外，ADE9153A 具有 Arduino 函式庫與應用範例，可簡化大型系統的實作。mSure 自動校準功能可校準此擴充板，以 1% 準確度值在動態範圍內測量能量，無需使用昂貴的校準設備。

結論

要滿足現今節能型 AC 線路的量測要求，設計人員若只靠基本的 RMS-DC 轉換器，無法克服其面對的諸多挑戰。他們得將 AC 線路的電壓和電流值數位化，接著套用運算函數，才可確定許多必要的功率與能量參數。Analog Devices 的 ADE9153A 為此提供必要的功能和準確性，更具備電壓與電流輸入訊號介接資料路徑、內部計量引擎核心以及標準 SPI 介面。

相關內容

1：AN-1562, Layout Considerations when Adding Energy Monitoring to a System Using the ADE9153A

2：UG-1253, EV-ADE9153ASHIELDZ User Guide

3：UG-1247, ADE9153A Technical Reference Manual