摘要：本文著重介紹基于霍爾效應(yīng)電能計(jì)量集成芯片的寬量程電能計(jì)量技術(shù)原理、性能、特點(diǎn)及其在小型工商業(yè)電能表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng)測量技術(shù) 寬量程 防竊電 小型工商業(yè)三相電能表

　目前，國際上常見的三相電能表的計(jì)量部分的設(shè)計(jì)方法主要可以歸納為三種：

（1）采用單個(gè)或三個(gè)通用計(jì)量芯片，如ADI、SAMES，TDK、Cirrus、ATMEL等公司的計(jì)量器件。是目前中低端電能表比較常用的計(jì)量核心，

（2）采用4/6路同步采樣12位或16位ADC與RISC技術(shù)的MCU或DSP配套的軟件實(shí)時(shí)處理計(jì)量技術(shù)。如采用AD73360AR，AD7874等模數(shù)轉(zhuǎn)換器件與PIC17/18或AVR系列RISC指令單片機(jī)等組成的測量系統(tǒng)，這在多功能表部分的應(yīng)用比較普及，而更復(fù)雜的基于DSP數(shù)字信號處理器（如TI的TMS320系列與ADI的ADSP219x等）的電能表主要應(yīng)用于高精度關(guān)口計(jì)量。

（3）采用電能表生產(chǎn)商獨(dú)立開發(fā)的ASIC專用計(jì)量芯片。如蘭吉爾開發(fā)的寬量程計(jì)量芯片（以下簡稱MESA）。

采用通用計(jì)量芯片的電能表由于受器件自身的功能限制，通常在無功電能計(jì)量、諧波電能分析與計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)測等方面的功能比較弱，但由于這類器件在有功電能計(jì)量方面具有技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、二次開發(fā)容易等特點(diǎn)，在中低端的0.5S、1.0、2.0級產(chǎn)品中獲得了廣泛應(yīng)用。

　　采用模數(shù)轉(zhuǎn)換與微處理器技術(shù)的電能表，由于軟件功能靈活性大，是多功能電表的主流技術(shù)，其中采用DSP(Digital Signal Processor)數(shù)字信號處理器的電表，由于對電測量信號的處理速度快（可達(dá)到1億次/秒以上），內(nèi)存容量大，可以得到更多的實(shí)時(shí)電能參數(shù)（如瞬時(shí)電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波分量）等。但是，由于不同廠商研發(fā)能力的差異，往往不容易驗(yàn)證其內(nèi)部各種算法的合理性、可靠性、適應(yīng)性等。特別是對整數(shù)次諧波分量和非整數(shù)次諧波分量的處理方法，無功電能處理的方法，以及包括次諧波在內(nèi)的諧波影響的處理方法方面，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范。此外，采用這種技術(shù)的電表，其功耗、起動(dòng)時(shí)間等也比其他技術(shù)的表略大一些。

　　近年來，蘭吉爾開發(fā)的新一代寬量程計(jì)量專用ASIC混合測量器件MESA就是一種非常成熟的電能計(jì)量器件，它將先進(jìn)的計(jì)量方法與集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)完美地結(jié)合起來，用它設(shè)計(jì)的小型工商業(yè)電能表具有12~25倍的寬量程。

1 寬量程計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ)

　　將通有電流 I 的金屬板（或半導(dǎo)體板）置于磁感強(qiáng)度為 B 的均勻磁場中，磁場的方向和電流方向垂直（如圖1，略，詳見《電工儀表與公用表計(jì)》行業(yè)信息第3期），電子在均勻磁場B中受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在上下兩側(cè)表面分別聚積正、負(fù)電荷，形成電勢差 ，該現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)^[1]。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，霍爾電勢差的大小和電流 I 及磁感強(qiáng)度B成正比，而與板的厚度d 成反比。霍爾電勢差可U_H定量地表示為：

U_H = R_H I B/d （1）

式中：R_H稱為材料性質(zhì)有關(guān)的霍爾系數(shù)，其值為。這里n、q分別為載流子數(shù)密度和載流子的電荷量。
在金屬導(dǎo)體中，自由電子的濃度大，故金屬導(dǎo)體的霍爾系數(shù)很小，相應(yīng)的霍爾電勢差也就很弱，即霍爾效應(yīng)不明顯。
在半導(dǎo)體中，載流子濃度很低，故半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)比金屬導(dǎo)體大得多，即半導(dǎo)體能產(chǎn)生很強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。

根據(jù)霍爾效應(yīng)的特點(diǎn)，讓恒流源I通過均勻厚度的半導(dǎo)體PN結(jié)，將待測量的電信號i（如相電流信號Ia、Ib、/Ic）轉(zhuǎn)化為磁場強(qiáng)度信號B，通過測量U_H的電位值，可以建立起下列線性關(guān)系：

U_H = k_H · i （2）

其中：k_H為材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，i為被測量的電參數(shù)信號（如相電流信號Ia、Ib、Ic）。與采用電流互感器（CT）的常規(guī)測量相比，霍爾效應(yīng)電流傳感器具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1） 測量電流范圍大，動(dòng)態(tài)范圍寬，且大電流不會使傳感器飽和；

（2） 輸出線性度高，精度高，帶寬高(DC～5MHz)，可測直流分量；

（3） 高測量增益，使器件誤差對產(chǎn)品性能影響很??；

（4） 輸入阻抗大，電流回路損耗低；

（5） 輸入輸出信號之間的角差小。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，影響半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)器件的精確度的主要因素有：

（1） 雜散磁場的影響；

（2） 材料的幾何尺寸（如厚度）的均勻性；

（3） 材料的物理性質(zhì)（如半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)分布）的均勻性；

（4） 溫度漂移；

（5） 時(shí)間漂移。

　　盡管人們早在1879年就知道了霍爾效應(yīng)，但直到20世紀(jì)60年代末期，隨著固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應(yīng)才開始被人們所應(yīng)用。

　　由于霍爾器件一般由半導(dǎo)體制作，而半導(dǎo)體的加工制作工藝復(fù)雜，不容易做到幾何尺寸的均勻性和材料性質(zhì)的一致性，加上半導(dǎo)體本身的溫度漂移和時(shí)間漂移等特性一直難以有效地補(bǔ)償，所以直到上個(gè)世紀(jì)末，霍爾效應(yīng)還不太適宜用于定量測量磁場強(qiáng)度的大小，當(dāng)然也更難用于電流或功率信號的精密測量。但霍爾器件在定性測量方面，特別是用于非接觸式位移測量的霍爾接近開關(guān)，在航空航天、汽車、數(shù)控機(jī)床、手機(jī)等行業(yè)獲得了極為廣泛的應(yīng)用。

CMOS技術(shù)的快速發(fā)展，使制造具有成本低、質(zhì)量好、性能可靠、體積小等多種優(yōu)點(diǎn)的實(shí)用型高精度霍爾傳感器（如磁場強(qiáng)度傳感器、電流傳感器、位移傳感器、速度傳感器等）成為可能。

　　瑞士蘭吉爾公司開發(fā)的專用集成電路MESA就是一款基于霍爾效應(yīng)測量原理的實(shí)用化的電能計(jì)量芯片。它將先進(jìn)的電能測量算法和霍爾傳感器完美地結(jié)合成ASIC器件。

如圖2（略，詳見《電工儀表與公用表計(jì)》行業(yè)信息第3期）所示，MESA的內(nèi)部分成三個(gè)功能塊：測量單元、數(shù)字信號處理（DSP）單元和接口電路。
1.2.1測量單元

測量單元內(nèi)集成了霍爾傳感器、信號調(diào)理器、Σ-Δ原理的16位ADC、三階SINC濾波器、偏置補(bǔ)償電路、基準(zhǔn)電壓源、可編程電流/電壓延遲電路、直流分流消除電路等功能：

（1） 傳感器及前段處理電路包含霍爾傳感器、信號調(diào)理器和恒流源電路，它除了集成的霍爾效應(yīng)電路以外，既可以接收普通電流互感器信號，也能接收錳銅分流器信號。對于非霍爾效應(yīng)方式的傳感器信號，從SH+和SH-兩個(gè)腳上輸入。

（2） ∑/∆ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 片上集成了二階Σ-ΔADC模塊，進(jìn)行采樣。

（3） 可變程電壓/電流信號延時(shí)電路 用于補(bǔ)償電流互感器、電壓互感器、外接分流器等導(dǎo)致的信號角差。

（4） 偏置補(bǔ)償電路 該電路用于系統(tǒng)偏置（一般由運(yùn)算放大器、傳感器等模擬電路引起），不能消除直流分量，以便測量直流電流分量的需要。

（5） 三階SINC濾波器 用于將高過采樣速率的Σ-ΔADC結(jié)果降低到需要的采樣速率。

（6） DC分量消除電路 它屬于傳輸速度比較低的一階高通濾波器，用于將電壓和電流回路中剩余的直流分量剔除掉，這樣一來，可以進(jìn)一步將系統(tǒng)偏置和角差降低到極低程度。

1.1.2數(shù)字信號處理（DSP）單元

數(shù)字信號處理（DSP）單元集成了數(shù)字乘法器、均方根運(yùn)算、電能積算單元、延時(shí)濾波（Hilbert）等功能，用于實(shí)現(xiàn)電流、電壓、有功電能、無功電能、功率因數(shù)、頻率、相角等電能參數(shù)的實(shí)時(shí)處理。

（1） 電能計(jì)算用硬件乘法累加器 為16位×16位硬件乘法器和一個(gè)能夠連續(xù)累積最大功率P_max時(shí)的乘積至少250ms的累加器，有可供檢測的溢出信號。正是由于內(nèi)部寬大的數(shù)據(jù)乘法累加器，使寬量程計(jì)量才有可能。

（2） V_RMS/I_RMS計(jì)算用硬件乘法器 為低速乘法計(jì)算器，用于計(jì)算電壓、電流的有效值。其計(jì)算速度與器件的輸入時(shí)鐘CLK有關(guān)。例如，在CLK=500kHz時(shí)，輸出速度為270Hz。

（3） 精度校正 用于標(biāo)定測量結(jié)果，保證測量值與實(shí)際值對應(yīng)。

1.2.3接口電路

接口電路包括工作電源、電源監(jiān)測與上電復(fù)位、SPI接口等部分。

（1）片內(nèi)集成霍爾效應(yīng)電流傳感器；

（2）支持外部分流器型或電流互感器（CT）型信號輸入；

（3）片內(nèi)集成霍爾常數(shù)溫度補(bǔ)償電路；

（4）片內(nèi)集成電壓基準(zhǔn)；

（5）低噪聲前置放大器；

（6）偏置消除電路；

（7）基于過采樣原理和奈奎斯特定律的高速Σ-Δ ADC模塊；

（8）片內(nèi)集成硬件乘法器和特寬位數(shù)的累加器；

（9）復(fù)位與電流失效監(jiān)測；

（10）SPI串行通訊接口，方便與微處理器相連；

（11）單電源（+5V）電源供電；

（12）工作溫度范圍寬（-25℃~55℃）。

MESA采用的是二階∑-∆ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與其相關(guān)的下述幾個(gè)采樣率定義對于分析芯片的頻率響應(yīng)特性有幫助：

輸入采樣率：A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的采樣率（比實(shí)際需要的采樣率高得多），由∑-∆ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特性決定，它等于MESA的輸入時(shí)鐘頻率f_CLK（也可以編程設(shè)置為1/4 f_CLK）。

數(shù)據(jù)采樣率：即A/D轉(zhuǎn)換器輸出端的數(shù)據(jù)速率。根據(jù)耐奎斯特定律，這一采樣率決定了待測量信號的最高頻率。

過采樣比率：即輸入采樣率和數(shù)據(jù)采樣率的比值。在MESA中，這個(gè)比值固定為128，由此可以確定A/D轉(zhuǎn)換后“真實(shí)”的數(shù)據(jù)有效位。過采樣率不可編程設(shè)置。

參數(shù)輸出采樣率： 等于“數(shù)據(jù)采樣率”，即MESA的時(shí)鐘頻率f_CLK /128。當(dāng)f_CLK ＝512kHz時(shí)，其值為4kHz。

頻率響應(yīng)：系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是由A/D轉(zhuǎn)換器和其后3階濾波器的傳遞函數(shù)所決定。