使用ADE9153A向系统添加能量监控时的布局考虑因素-电子发烧友网

Aaron Heredia

将电能测量添加到系统中通常涉及广泛的校准过程。ADE9153A是一款具有mSure自动校准功能的能量计量IC，可简化电能测量系统的校准过程。ADE9153A可集成到各种系统中，如街道照明、数据中心能效测量、智能配电、智能插头和机器健康。

图1显示了ADE9153A与单相系统配置的基本连接，其中分流电阻用于电流检测，分电位器用于电压检测。隔离栅将控制器与ADE9153A器件隔开，这是许多应用的要求，因为ADE9153A接地处于危险电压。

本应用笔记介绍了在现有系统中增加ADE9153A能量监控电路时的布局考虑因素。

图1.ADE9153A与主系统的连接（未显示所有连接）

ADE9153A布局建议

相电流通道

ADE9153A的电流通道与其他电能计量IC的电流通道设计不同，因为ADE9153A需要额外的传感器端子和PCB才能实现mSure功能。

ADE9153A IAMS引脚支持将mSure注入到分流器中。布局对电能测量系统的性能至关重要。

图2所示为采用EV-ADE9153ASHIELDZ的SMD分流器。PCB中还有一个额外的占位面积，连接到ADE9153A的IAMS引脚和接地（GND）平面，以实现mSure功能。

图2.表面贴装器件（SMD）分流器

图3显示了SMD分流器的俯视图及其推荐的PCB尺寸和走线。分流器的IAP端是电流通道的正差分端，分流器的IAN端是电流通道的负差分端。出于设计原因，电流通道的信号更容易通过IAN引脚布线，分流器的背景电流反转，AI_PGAGAIN寄存器中的AI_SWAP位必须设置为0x0。

图3.SMD 分流器的推荐 PCB 占位面积和走线

图 3 还显示了直接连接到 IAMS 引脚（引脚 6）的 m Sure 输入走线和连接到 GND 平面的 mSure 返回迹线。

使 m 确定迹线和 m确定返回迹线远离模数转换器（ADC）输入走线（IAP 和 IAN）。mSure 返回信号必须具有连接到 DGND（引脚 1）的接地层的最短返回路径。

在自动校准期间，ADE9153A的IAMS引脚通过mSure迹线输出mSure信号，并将信号注入分流器。必须在靠近IAMS引脚的IAMS引脚和GND平面上放置值在0.1 μF和1 μF之间的电容。该电容器可保护电路免受电快速瞬变的影响（见图4）。

图4.IAMS 电容器，抗电快速瞬变

距离IAMS引脚最远的走线必须宽约1.5 mm，才能有效管理来自IAMS引脚的电流。当走线靠近引脚时，该走线会慢慢变细，直到走线达到大约 0.25 mm 以匹配引脚宽度。

图5显示了IAMS的PCB走线（mSure in）。该走线被PCB顶层和底层的GND平面包围，这些平面通过过孔互连。

图5.IAMS 跟踪

零线电流通道（可选）

图6显示了在IB端子（IMBS、IBN和IBP）中推荐使用电流互感器。mSure 绕组必须与零线绕组电气隔离。将CT负载电阻的IBMS端子直接连接到芯片的IBMS引脚（引脚19），并将IBMS_BACK端子、返回线或mSure绕组连接到GND平面。

图6.带 m确定注射端子的 CT 设计

ADE9153A的IBMS引脚输出感应到中性线CT初级绕组的mSure信号。该信号必须具有连接到DGND（引脚20）的GND平面的最短返回路径。在 IBMS 走线和靠近 IBMS 引脚的 GND 平面之间放置一个电容器，以抗电快速瞬变。IBM 的推荐原理图和布局与 IAMS 的推荐原理图和布局类似，如图 4 和图 5 所示。

如果电能测量系统不需要零线电流测量，则短路零线电流通道输入IBN（引脚11）和IBP（引脚12）。此外，短 IBMS（引脚 19），连接到 GND 平面和 DGND（引脚 20），如图 7 所示。

图7.建议使用未使用的 IBP 引脚、IBN 引脚和 IBMS 引脚的走线连接

电压通道

图8显示了用于测量电源电压的接口电路。ADE9153A的VAMS引脚输出mSure信号，该信号注入分压器的底部。电压通道上的衰减网络设计为网络的转折频率（3 dB）与电流通道输入中的抗混叠滤波器的转折频率相匹配。

图8.电压通道原理图

将VAN引脚短接至VAMS引脚，并在VAP走线周围形成一个完整的保护装置，如图9所示。使用裸铜 VAMS 走线一直围绕 VAP 走线（宽度为 0.1 mm）创建防护装置。

图9.VAP 跟踪

保护走线必须穿过ADE9153A封装，并将VAMS引脚连接到VAN引脚。走线必须尽可能靠近VAP引脚，并包括一小部分裸铜，如图3中的标签10所示。

图 10.ADE9153A和VAP引脚护罩的侧视图

图10显示了安装在VAP引脚护罩PCB布局上的ADE9153A的侧视图。图中的编号标签如下：

标签 1A 和标签 1B 表示 VAP 引脚后面的防护装置。将此裸铜走线短路至ADE13A封装的VAMS（引脚15）和VAN（引脚9153）的裸焊盘，不会对器件性能产生任何负面影响。确保此走线有足够的空间，以避免走线短路到ADE9153A占位面积中心的裸露焊盘。

标签 2 表示裸铜走线与引脚 13 和引脚 15 的裸焊盘之间的覆盖走线。确保此走线绝缘，以便于焊接器件。

标签 3 表示沿着走线到电位分压器的全裸铜。为便于焊接，请确保此裸铜走线不会延伸到ADE13A封装引脚15和引脚9153的裸焊盘。确保引脚附近的走线完全绝缘且不裸露。

图 11.VAMS 和 VAN Guard

出于抗噪目的，VAMS和VAN保护连接通过过孔和底层走线环绕着一条小走线（见图12）。

图 12.通过过孔实现VAMS和VAN互连

抗混叠滤波器

图13和图14是电流通道抗混叠滤波器的原理图。滤波器必须靠近分流器的端子放置，如果有中性通道，则必须放置在CT附近。在布局中，确保抗混叠电容对称且靠近模拟前端，并有平行走线馈入引脚。电压通道部分描述了电压通道的抗混叠滤波器。

图 13.相电流通道抗混叠原理图

图 14.中性电流通道抗锯齿原理图

晶体和电容器

为了获得最佳m Sure自动校准的性能，请考虑晶体部分和抗混叠电容器部分中提供的晶体选择和抗混叠电容器选择参数。

晶体

根据以下规格选择晶体：

工作温度：−40°C 至 +85°C

频率容差：≤ ±50 ppm

频率稳定性：≤ ±30 ppm

为了保护 CLKIN 引脚和 CLKOUT 引脚免受噪声和干扰的影响，请避免与负载电容器以及 CLKIN 引脚和 CLKOUT 引脚进行长连接，因为这些连接会在晶体布局中产生大环路。

使CLKIN引脚的负载电容尽可能靠近引脚。保持 CLKOUT 引脚的负载电容靠近引脚，但距离可以大于 CLKIN 负载电容与 CLKIN 引脚之间的距离。

避免与负载电容器进行长连接，以免在晶体布局中产生大环路。此配置可保护 CLKIN 引脚和 CLKOUT 引脚免受噪声和干扰的影响。

为防止时钟的快速信号与信号走线耦合，请勿在晶体布局附近布线信号走线。

有关计算负载电容值和选择晶体的更多详细信息，请参阅ADE9153A技术参考手册。

图 15.晶体电容器和负载电容器的推荐布局

抗混叠电容器

在相电流通道、中性线电流通道和电压通道的输入端使用 C0G （NP0）抗混叠电容器。

去耦电容器

去耦电容的推荐电容值为4.7 μF和0.1 μF。定位这些电容时，请确保0.1 μF电容是离芯片最近的电容，并且电容和器件引脚之间的连接尽可能短（见图16）。

图 16.ADE9153A上的电容布局

将AGND引脚和DGND引脚连接到PCB顶层的GND平面。在这些引脚附近放置一个过孔，将引脚连接到PCB底层的GND平面。

REFIN和AVDDOUT去耦电容通过GND连接到AGND引脚（引脚17），如图17所示。PCB底层靠近AGND引脚的GND平面的过孔改善了该区域接地的布线。

图 17.REFIN 和 AVDDOUT 接地去耦电容器连接

电源

EV-ADE9153ASHIELDZ使用隔离式DC-DC转换器ADuM6000为ADE9153A上电。

该板具有隔离电源。但是，ADE9153A系统的电源可以是隔离式的，也可以是非隔离式的。选择使用哪种电源取决于应用类型和系统设计。

使用隔离电源的连接

测量仪的电源输入需要连接到带电端子和中性端子。使用隔离电源时，将变压器输入接地至带电端子，该端子连接到分流器。仅通过分流器将变压器输入连接到带电端子，而不连接到GND平面。确保GND平面和变压器输入的唯一交汇点是带电端子。

将金属氧化物压敏电阻（MOV）连接在带电端子和中性端子之间和附近。该MOV保护电源和分压器，这是器件中唯一受高压影响的部件，可导致高电流在相线和零线中流动。拉动中性端子时，走线不得破坏 IAMS 走线和 IBMS 走线下方的 GND 平面。电源输出的接地必须连接到 GND 平面。图 18 显示了建议的电源连接。

图 18.隔离电源接地连接

使用非隔离电源的连接

使用非隔离电源时，通过分流器将带电端子连接到 MOV。将 MOV 的另一个端子连接到中性线端子和连接到电源的正温度系数（PTC）热敏电阻。如果发生错误，MOV 会保护设备免受电源电流突然增加的影响。图19显示了一个非隔离电源连接。

图 19.非隔离电源连接

接地和隔离

ADE9153A的接地和微控制器的接地必须正确隔离。在配置主接地布局时，请考虑设备、传感器、电源和设备其他组件的位置。本节使用EV-ADE9153ASHIELDZ的接地布局来解释接地分为初级接地和次级接地（见图20）。

图 20.EV-ADE9153A屏蔽电路板

地面平面

接地必须设计正确，以尽量减少来自内部和外部源的噪音。不正确的接地设计会导致噪声进入器件，并影响模拟电路和mSure通道的性能和功能。建议在PCB的顶层和底层都有一个GND平面。

图20的左侧描述了底层GND平面的布局。

次级接地层（SGND）是控制器接地的地方，与ADE9153A的所有接地和带电完全隔离。

抗混叠滤波器、分流器和电位分压器（上部）不会破坏GND平面。有关电源的详细信息，请参阅电源部分。

主接地层

构建主接地层时，请遵循以下准则：

通过GND平面连接ADE9153A的AGND引脚和DGND引脚，实现尽可能低的阻抗连接。

通过电流分流器将带电输入连接到顶层的GND平面。

模拟接地终止于GND平面。（GND平面还为ADE9153A中的数字电路提供接地基准电压源。

将 DGND 引脚连接到顶层的 GND 平面。ADE9153A的去耦电容、晶体振荡器、电源输出地和许多其他支持元件均在GND平面接地。

图21显示了ADE9153A的典型接地层连接。标签 2 表示 GND 平面。REFIN和AVDDOUT的接地直接通向AGND引脚，不形成平面（参见晶体和电容部分）。

图 21.接地平面（顶层）

过孔连接PCB顶层和底层的接地层（见图22）。DGND引脚和AGND引脚必须通过位于引脚附近的通孔连接到顶层和底层的GND平面。

图 22.带过孔的接地平面（底层）

GND平面位于VAN和VAMS防护罩下方，如图23所示。该GND平面保护电压通道的分压器和抗混叠滤波器的较低电阻。没有GND平面位于分压器的上高压侧下方。

图 23.VAMS 和 VAN 防护下的 GND 飞机

隔离

将电能测量添加到系统级应用中需要一个隔离栅，将电能测量电路的电压和接地与控制器分开。

ADE9153A在电源电压下浮动。因此，为了安全起见，应用中的隔离是必要的。隔离的一个常见位置是ADE9153A和微控制器单元（MCU）之间。或者，可以在MCU和通信之间隔离。

隔离栅必须包含隔离器或具有电源隔离和数据隔离通道的IC，以将包含电能测量系统的高压侧与包含系统控制器或处理器的安全侧分开（见图24）。在EV-ADE9153ASHIELDZ上，ADUM6000ARIZ提供隔离电源，ADUM4152BRIZ SPI隔离器隔离串行外设接口（SPI）和低速数字接口信号。

图 24.EV-ADE9153ASHIELDZ的隔离栅

选择隔离器件时，应考虑数据速率、空间要求和电压要求等关键要求。

应用示例

智能街道照明

智能街道照明将收入级电能计量集成到一个专为提高能效而设计的系统中，具有自动开关控制、调光控制和故障报警功能。智能街道照明的一个特点是远程维护和开发，ADE9153A的自动校准技术非常适合远程维护和开发。

在公用事业计量中，电表的电源消耗不向客户计费，因此，电表的电源连接在分流电阻器之前。在某些应用中，例如某些街道照明应用，有些配置需要测量整个负载（包括测量模块）的功耗。在这种情况下，电源连接在分流电阻器之后。通过 m Sure 所需的分流传感器的功耗调制可能会导致 mSure 中的错误，这些结果因电源设计而异。这些误差特定于电源设计，必须在每个完整系统上进行测量。这些错误可能大约是百分之零点几。按照标准建议在分流电阻器之前连接模块的电源。

多路输出能量测量

数据中心的配电单元（PDU）具有多个用于分配电能的单相插座。使用ADE9153A监控一个插座消耗的能量。图26显示了PDU应用中几个ADE9153A器件的基本图示。