Thiết kế bộ đo năng lượng giá rẻ sử dụng AD7753 AD7755

BỘ ĐO NĂNG LƯỢNG – CÔNG SUẤT DỰA TRÊN AD7755
(AD7753)
 MỤC TIÊU CỦA THIẾT KẾ
Tiêu chuẩn quốc tế IEC1036 (1996-09) – bộ đo năng lượng tích cực watt-hour cho
dòng xoay chiêu (classes 1 và 2) như là một thông số kỹ thuật căn bản cho thiết kế này. Đối
với độc giả quen thộc hơn với các thông số kỹ thuật ANSI C12.16 thì sẽ thấy ở chú ý trong
phần cuối của ứng dụng với các so sánh giữa hai tiêu chuẩn. Phần này giải thích các thông số
chính IEC1036 có một vài điểm tương đương với ANSI.
Thiết kế vượt quá các thông số cơ bản này để đáp ứng nhiều yêu cầu về độ chính xác,
như hệ số công suất đơn vị và ở hệ số công suất thấp (PF = ±0.5). Thêm nữa là hiệu suất của
bộ đo có thể tăng lên tới 500. Tiêu chuẩn IEC1036 chỉ rõ độ chính xác trên một dải là 5% Ib
đến IMAX- nhìn bảng dưới. Giá trị phổ biến của IMAX là 400% đến 600% Ib. Bảng dưới phác
thảo các yêu cầu về độ chính xác đối với bộ đo watt-giờ. Phạm vi dòng điện (dải rộng) đối
với độ chính xác được ghi rõ trong hệ số Ib (dòng cơ bản).

Chú ý:
Các phạm vi dòng điện được chỉ định độ chính xác trong bảng 1 là được biểu diễn ở
hệ số của dòng điện cơ bản (Ib). Dòng điện cơ bản được định nghĩa trong IEC1036 như là
giá trị của dòng điện tương ứng với hiệu suất phù hợp của bộ đo kết nối trực tiếp cố định.
IMAX là dòng tối đa mà độ chính xác được duy trì.
Hệ số công suất (PF) trong bảng 1 liên quan tới mối quan hệ pha giữa các dạng sóng
dòng điện và điện áp cơ bản (45 – 65Hz). PF trong trường hợp này có thể được định nghĩa
đơn giản là PF = cos (θ), ở đây θ là góc pha giữa dạng sóng sin thuần của dòng điện và điện
áp. Chỉ số lớp được định nghĩa trong IEC1036 như những giới hạn lỗi phần trăm cho phép
và được định nghĩa như công thức:

Sơ đồ nguyên lý dưới đây trình bày cách thực hiện của một bộ đo watt-giờ giá rẻ. Một
shunt được sử dụng để cung cấp sự chuyển đổi dòng điện tới điện áp cần thiết cho AD7755
và mạng chia trở đơn giản để làm suy giảm điện áp dây. Thanh ghi năng lượng (kWh) là một

bộ đếm cơ điện tử đơn giản sử dụng một motor stepper hai pha. AD7755 cung cấp trực tiếp
khả năng lái cho bộ đếm này. AD7755 cũng cung cấp một đầu ra tần số cao ở chân CF
chohawngf số bộ đo (3200 imp/kWh). Như vậy một đầu ra tần số cao có sẵn ở LED và đầu ra
cách ly quang. Đầu ra tần số cao này được sử dụng để tăng tốc quy trình hiệu chuẩn và cung
cấp một phương tiện để xác nhận nhanh chóng chức năng bộ đo và độ chính xác trong môi
trường sản xuất. Bộ đo được hiệu chuẩn bằng cách thay đổi sự suy giảm điện áp dây sử dụng
mạng điện trở R5 tới R14.

 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ
AD7755 đưa một đầu ra tần số mà tỷ lệ thuận với giá trị trung bình thời gian được tạo
ra bởi hai tín hiệu điện áp. Các tín hiệu điện áp đầu vào được đặt ở V1 và V2. Phương trình
này được trình bày ở đây lần nữa để cho thuận tiện và sẽ được sử dụng để xác định tỷ lệ tín
hiệu chính xác ở V2 để hiệu chuẩn đồng hồ đo về một hằng số cố định.

Bộ đo trình bày ở hình trên được thiết kế để hoạt động ở một điện áp dây 220V và
một dòng điện tối đa (IMAX) 40A. Tuy nhiên, bằng việc chia tỷ lệ chính xác các tín hiệu trên


kênh 1 và kênh 2, có thể thiết kế bộ đo hoạt động ở bất kỳ điện áp dây và dòng điện tối đa
nào.
4 tùy chọn tần số có sẵn trên AD7755 sẽ cho phép thiết kế các bộ đo giống nhau với
dòng IMAX lên tới 120A. Dòng điện cơ bản (Ib) cho bộ đo này được chọn là 5A và phạm vi
chính xác của dòng điện sẽ là 2% Ib tới IMAX, hoặc dải động của 400 (100mA tới 40A).
Thanh ghi cơ điện (kWh) sẽ có một hằng số của 100imp/kWh, 100 xung từ AD7755 sẽ được
yêu cầu đưa tới thanh ghi 1kWh. IEC1036 phần 4.2.11 ghi rằng các thanh ghi điện từ có giá
trị thấp nhất được ghi thành phần mười, mỗi phần được chia làm 10 phần. Do đó màn hình
với 5 + 1 digit được sử dụng 10,000s, 1,000s, 100s, 10s, 1s, 1/10s. Hằng số bộ đo được chọn
(cho hiệu chuẩn và kiểm tra) là 3200imp/kWh.

 Điện áp tham chiếu cho AD7755

Mạch nguyên lý trong hình trên cũng cho thấy một mạch tham chiếu tùy ý. Mạch
tham chiếu on-chip của AD7755 có hệ số nhiệt độ thường là 30ppm/0C. Tuy nhiên một phần
thông số kỹ thuật ở cấp này không được đảm bảo và có thể cao tới 80ppm/0C. Ở 80ppm/0C
AD7755 ỗi ở -200C/+600C có thể có đến 0.65%, giả sử rằng hiệu chuẩn ở 250C.

 Chọn shunt
Giá trị shunt (350µΩ) được chọn để sử dụng tối đa dải động trên kênh V1 (kênh dòng
điện). Tuy nhiên có một số đánh giá quan trọng khi chọn lựa một shunt cho một ứng dụng đo
năng lượng. Đầu tiên, tối thiểu hóa công suất tiêu thụ trên shunt. Tốc độ tối đa của dòng điện
cho ứng dụng này là 40A, do đó, công suất tiêu tán tối đa trong shunt là (40A)2 x 350 µΩ =
560mW. IEC1036 cho công suất tối đa này là 2W (bao gồm nguồn cấp). Thứ hai, công suất


tiêu tán cao hơn sẽ có thể tạo ra khó khăn trong việc kiểm soát vấn đề nhiệt độ. Mặc dù shunt
được sản xuất từ chất Manganin, đó là một hợp kim có hệ số nhiệt điện trở thấp, nhiệt độ cao
có thể gây ra lỗi đáng kể ở tải lớn. Xem xét thứ 3 là khả năng của bộ đo để chống các rủi ro
làm ngắn mạch pha. Với giá trị shunt rất thấp, các tác động của việc ngắn mạch ngoài shunt
giảm thiểu rất nhiều. Do đó, shunt phải luôn được làm nhỏ nhất nhưng điều này cần phải
được offset với phạm vi tín hiệu trên V1 (0mV – 20mV rms cùng với hệ số khuếch đại là 16).
Nếu shunt được chế tạo quá nhỏ nó sẽ không có khả năng có được các yêu cầu về độ chính
xác ở các tải nhỏ của IEC1036. Một shunt có giá trị là 350 µΩ được cho là tốt và phù hợp với
thiết kế này.

 Các tính toán thiết kế
Các tham số thiết kế:
Điện áp dây: 220V (thông thường)
IMAX = 40A (Ib = 5A)
Bộ đếm = 100 imp/kWh
Hằng số bộ đo = 3200 imp/kWh
Kích cỡ Shunt = 350 µΩ

100 imp/h = 100/3600 sec = 0.027777Hz
Bộ đo sẽ được hiệu chuẩn ở dòng Ib (5A)
Công suất tiêu thụ ở Ib = 220V x 5A = 1.1kW
Tần số trên F1 (và F2) ở Ib = 1.1 x 0.027777 Hz = 0.0305555 Hz
Điện áp hai đầu shunt (V1) ở Ib = 5A x 350 µΩ = 1.75 mV
Để chọn tần số F1-4 cho công thức, xem datasheet của AD7755, phần chọn tần số cho
một bộ đo năng lượng. Từ bảng 5 và bảng 6 trong datasheet có thể thấy rằng chọn lựa tốt
nhất của tần số cho bộ đo với IMAX = 40A là 3.4 Hz(F2). Sự chọn lựa tần số này được thực
hiện bởi các đầu vào logic S0 và S1 – xem bảng II trong datasheet. Chọn tần số CF (hằng số
đo) bằng cách sử dụng đầu vào logic SCF. Hai tùy chọn có sẵn là 64 x F1 (6400 imp/kWh)
hoặc 32 x F1 (3200 imp/kWh). Đối với thiết kế này, 3200 imp/kWh được chọn bằng cách cài
đặt SCF về mức logic thấp. Với một hằng số đo là 3200 imp/kWh và một dòng điện tối đa là
40A, tần số tối đa từ CF là 7.82 Hz. Nhiều phương tiện hiệu chuẩn để bàn được sử dụng để
xác nhận độ chính xác của bộ đo vẫn sử dụng công nghệ quang học. Điều này sẽ giới hạn tần
số tối đa mà có thể tin cậy khi đọc ở khoảng 10Hz. Chỉ còn lại một thông số chưa biết từ
công thức trên là V2 hay mức tín hiệu trên kênh 2 (kênh điện áp).
Từ công thức 1 ở trang trước chúng ta có:


Do đó để hiệu chuẩn bộ đo, điện áp dây cần phải được làm suy giảm tới điện áp
248.9mV.

 Hiệu chuẩn bộ đo
Từ các chương trước có thể thấy rằng bộ đo được hiệu chuẩn đơn giản bằng cách làm
giảm điện áp dây xuống còn 248.9 mV. Điện áp dây được làm giảm xuống bằng một bộ chia
áp sử dụng mạng điện trở như sơ đồ dưới đây ở trên. Mạng điện trở sẽ cho phép phạm vi hiệu
chuẩn ít nhất là ±30% để cho phép dung sai của shunt và dung sai tham chiếu trong chip là
±8% - xem datasheet. Thêm nữa, mạng được cấu trúc sao cho độ lệch pha giữa hai kênh 1 và
2 được giữ nguyên, ngay cả khi hệ số suy giảm được điều chỉnh lại.

Như có thể thấy từ hình trên, tần số -3dB của mạng này được xác định bằng R4 và
C4. Ngay cả với tất cả jump đều đóng, trở kháng của R15 (330kΩ) và R16 (330kΩ) vẫn cao
hơn nhiều R4 (1kΩ). Do đó sự thay đổi trở kháng trong chuỗi từ R5 tới R14 sẽ có ảnh hưởng
một chút lên tần số -3dB của mạng. Mạng được trình bày trong hình trên cho phép điện áp
dây được giảm và được điều chỉnh trong dải từ 175mV tới 333mV với độ phân dải là 10 bits
hoặc 154 µV. Có được điều này bằng cách sử dụng chuỗi điện trở nhị phân dài từ R5 tới R14.
Điều này sẽ cho phép bộ đo được hiệu chuẩn chính xác sử dụng công nghệ xấp xỉ nối tiếp.
Bắt đầu với J1, mỗi jumper được đóng theo thứ tự tăng dần, j1, j2, j3...Nếu tần số hiệu chỉnh
trên CR là 32 x 100 imp/hr (0.9777 Hz) thì sẽ bị vượt quá khi tất cả jump được đóng, nó nên
được mở lại. Chú ý các jump được thực dùng có giá trị điện trở 0Ω và được đổ thiếc ở vị trí
đó. Hướng tiếp cận này được ưu thích hơn là sử dụng biến trở bởi khả năng ổn định về sau
trong những điều kiện môi trường không chắc chắn.
Do hàm truyền của AD7755 vô cùng tuyến tính, hiệu chuẩn một điểm (Ib) ở hệ số
công suất đơn vị là tất cả những gì cần thiết cho việc hiệu chuẩn bộ đo. Nếu các biện pháp
phòng ngừa chính xác đã được thực hiện ở khâu thiết kế thì không cần thiết phải hiệu chuẩn ở
hệ số công suất thấp (PF = 0.5).

 Phối hợp pha chính xác giữa các kênh


AD7755 được phối hợp pha bên trong trên dải tần số 40Hz tới 1kHz. Phối hợp pha
chính xác là rất quan trọng trong một ứng dụng đo năng lượng bởi vì bất kỳ sự lệch pha nào
giữa các kênh sẽ tạo ra các lỗi đo lường đáng kể ở hệ số công suất thấp. Điều này dễ dàng
được hình dung với ví dụ dưới đây. Hình dưới trình bày dạng sóng của dòng điện và điện áp
với tải điện cảm. Trong ví dụ, dòng điện trễ pha hơn điện áp 600 (PF = -0.5). Giả sử dạng
sóng là điều hòa thuần SIN, công suất được tính toán dễ dàng là Vrms x Irms x cón(600).
Tuy nhiên, nếu có một lỗi pha được đưa từ bên ngoài vào AD7755, như ở bộ lọc răng
cưa, thì lỗi sẽ được tính như sau:

Ở đây δ là góc pha giữa điện áp và dòng điện và φe là pha lỗi bên ngoài. Với một lỗi

pha là 0.20, cho ví dụ, lỗi ở PF = 0.5 (600) sẽ tính được là 0.6%. Như mô tả trong ví dụ này,
ngay cả một lỗi pha nhỏ cũng sẽ tạo ra một lỗi đo lớn ở hệ số công suất thấp.

 Các bộ lọc răng cưa
Như được hướng dẫn trong chương trước, một khả năng gây ra các lỗi pha bên ngoài
là của các bộ lọc răng cưa trên kênh 1 và kênh2. Các bộ lọc răng của là các bộ lọc thông thấp
được đặt trước các đầu vào của mọi ADC. Chúng cần thiết để loại bỏ các khả năng gây méo
do quá trình lấy mẫu được gọi là răng cưa. Hình dưới đây mô tả ảnh hưởng của răng cưa.


Hình trên cho thấy cách mà răng cưa có thể ảnh hưởng đến các thiết kế bộ đo trên
AD7755. AD7755 sử dụng 2 ADC sigma-delta để số hóa các tín hiệu điện áp và dòng điện.
Các ADC này có tốc độ lấy mẫu rất cao khoảng 900 KHz. Hình trên cho thấy cách mà các
thành phần tần số trên một nửa tần số lấy mẫu (tần số Nyquist) 450kHz tạo ra ảnh hoặc gấp
xuống dưới 450kHz. Điều này sẽ xảy ra với tất cả các ADC không quan trọng là kiến trúc
nào. Trong ví dụ trình bày có thể thấy rằng chỉ các tần số gần tần số lấy mẫu 900kHz sẽ được
đưa vào băng thông của bộ đo 0kHz – 2kHz. Hệ số này sẽ cho phép chúng ta sử dụng một bộ
lọc rất đơn giản (bộ lọc thông thấp) để làm giảm các tần số cao này (gần 900kHz) và do đó
ngăn méo trong các băng thông.
Dạng đơn giản nhất của bộ lọc thông thấp là bộ lọc RC. Đây là một bộ lọc đơn cực
với một độ dốc hay suy giảm là -20dBs/dec.

 Chọn tần số góc cho bộ lọc
Cũng như đáp ứng cường độ, tất cả các bộ lọc cũng có một đáp ứng pha. Đáp ứng
cường độ và pha của bộ lọc RC (R=1kΩ, C = 33nF) được trình bày hình dưới đây. Từ hình
cho thấy rằng sự suy giảm ở 900kHz với bộ lọc LPF đơn giản này lớn hơn 40dBs. Điều này
là đủ suy giảm để đảm bảo rằng không có sai xót do răng cưa.


Như đã giải thích trong phần trước, đáp ứng pha có thể đưa vào các lỗi đáng kể nếu

đáp ứng pha của các bộ lọc LPF cả kênh 1 và kênh 2 không phù hợp. Sự sai pha có thể dễ
dàng xuất hiện do các linh kiện có dung sai lớn trong LPF. Tần số càng thấp hơn -3dB trong
LPF (bộ lọc răng cưa) các lỗi này được thấy rõ ràng hơn ở các thành phần tần số cơ bản hoặc
tần số dây. Ngay cả với tần số góc được cài đặt ở 4.8kHz (R=1kΩ, C = 33nF) các lỗi pha do
các linh kiện dung sai nghèo nàn có thể khá đáng kể. Hình dưới đây mô tả quan điểm này.
Đáp ứng pha với LPF đơn được trình bày ở hình dưới với 50Hz với R=1kΩ ± 10%, C = 33nF
± 10%. Nhớ rằn với độ dịch pha 0.20 có thể gây ra các lỗi đo lường là 0.6% ở hệ số công suất
thấp. Thiết kế này sử dụng các điện trở có dung sai 1% và tụ điện có dung sai 10% với các bộ
lọc răng cưa để làm giảm các khả năng có vấn đề với độ sai lệch pha. Ngoài ra tần số góc của
bộ lọc có thể đực đẩy ra ngoài 10 kHz hoặc 15Hz. Tuy nhiên, tần số góc không nên quá cao,
do điều này có thể cho phép các thành phần tần số cao tạo răng cưa và gây ra vấn đề về độ
chính xác trong các môi trường nhiễu.


Chú ý rằng đây cũng là lý do tại sao phải có biện pháp phòng tránh với thiết kế của
mạng điện trở hiệu chuẩn trên kênh 2 (kênh điện áp). Hiệu chuẩn bộ đo vằng cách thay đổi
các điện trở của mạng suy giảm sẽ không thay đổi tần số -3dB và do đó đáp ứng pha của
mạng trên kênh 2. Hình dưới trình bày biểu đồ trễ pha ở 50Hz khi trở kháng của mạng hiệu
chuẩn thay đổi từ 660kΩ (J1 – J10 đóng) tới 1.26 MΩ (J1-J10 mở).

 Bù điện cảm ký sinh trên Shunt
Khi được dùng ở tần số thấp, một shunt có thể được xem như một thuần trở với các
thành phần phản kháng không đáng kể. Tuy nhiên, trong một số tình huống, ngay cả một
lượng nhỏ điện cảm phát sinh cũng có thể gây ra các ảnh hưởng không mong muốn khi một
điện trở shunt được sử dụng trong các hệ thống lấy mẫu dữ liệu. Vấn đề rất đáng chú ý khi
điện trở của shunt là rất thấp vào khoảng 200µΩ. Trình bày dưới đây là một mạch tương
đương với shunt được dùng trong thiết kế tham chiếu AD7755. Có 3 kết nối tới shunt. Một
cặp kết nối được cung cấp bởi các đầu vào dòng điện (V1P và V1N) và kết nối tứ 3 là tham
chiếu đất của hệ thống.
Điện trở shunt trong hình là RSH1(350 µΩ). RSH2 là điện trở giữa đầu vào V1N và

điểm đất của hệ thống. Các thành phần kí sinh chính (điện dung) là LSH1 và LSH2. Hình dưới
cũng cho thấy cách mà shunt được kết nối tới các đầu vào của AD7755 (V1P và V1N) thông
qua các bộ lọc răng cưa. Chức năng của các bộ lọc răng cưa, đáp ứng pha, đáp ứng cường độ
được giải thích trong chương trước.




Loại bỏ các ảnh hưởng của dung kháng kí sinh trên shunt

Ảnh hưởng của dung kháng kí sinh trên shunt được trình bày hình dưới đây. Biểu đồ
cho thấy đáp ứng pha và cường độ của mạng bộ lọc có hoặc không có dung kháng kí sinh là
2nH. Như có thể thấy trên biểu đồ, cả đáp ứng pha và hệ số khuếch đại của mạng đều bị ảnh
hưởng. Sự suy giảm ở 1MHz giờ chỉ khoảng -15dB, điều này có thể gây ra một số vấn đề về
độ chính xác và độ lặp lại trong một môi trường nhiễu. Quan trọng hơn, một sự khác pha bậy
giờ có thể được tạo ra ở giữa hai kênh dòng điện và điện áp. Giả sử mạng trên kênh 2 được
thiết kế để phù hợp với đáp ứng pha lý tưởng của kênh 1 thì bây giờ nó sẽ bị lệch pha so với
thiết kế khoảng 0.10 ở 50Hz. Chú ý rằng, 0.10 sẽ gây ra lỗi đo lường 0.3% ở PF = ±0.5.

Vấn đề xảy ra là do thêm một zero vào mạng răng cưa. Sử dụng kiểu đơn giản với
shunt trong hình 10, vị trí của zero được đưa ra là RSH1/LSH1 radians.
Một cách loại bỏ các ảnh hưởng này là thêm một cực bổ xung ở (hoặc gần) giống vị
trí. Việc bổ xung thêm RC trên mỗi đầu vào của kênh 1 sẽ có thêm cực cần thiết. Mạng răng
của mới của kênh 1 được trình bày hình dưới đây. Để đơn giản trong việc tính toán và mô tả
thì RS và CS của mạng được giả sử có giá trị giống nhau.


Hình trên của cho thấy vị trí của các cực trong mạng bù này. Mục đích của POLE#1
là để loạt bỏ các ảnh hưởng của zero do điện cảm kí sinh trên shunt. Pole#2 sẽ thực hiện chức
năng của các bộ lọc răng cưa như được mô tả ở những phần trước. Công thức dưới đây mô tả

một mẫu tính toán cho shunt 330µΩ với điện cảm kí sinh là 2nH.
Vị trí của Pole#1 là :

Với RSH1 = 330µΩ, LSH1 = 2nH, C = 33nF, R được tính toán xấp xỉ 480Ω (sử dụng
470Ω). Vị trí của Pole #1 là 165,000rads hoặc 26.26kHz.
Vị trí của Pole#2 là:

Để chắc chắn phù hợp pha giữa kênh 1 và 2, cực ở kênh 2 cũng phải được đặt vào
cùng vị trí. Với C = 33nF, một giá trị điện trở mới cho bộ lọc răng cưa trên kênh 2 là xuaaps
xỉ 1.23kΩ (dùng 1.2kΩ).
Hình dưới đây trình byaf ảnh hưởng của mạng bổ xung lên đáp ứng pha và biên độ
của mạng răng cưa trong kênh 1. Đường nét đứt cho thấy đáp ứng của kênh 2 sử dụng các giá
trị thực tế mới được tính toán là 1.2kΩ và 33nF. Đường nét liền mô tả đáp ứng của kênh 1
với điện trở shunt và điện cảm kí sinh. Đáp ứng pha và cường độ cho thấy rất gần với đáp
ứng lý tưởng. Đây chính là mục tiêu của mạng bổ xung.


Phương thức bổ xung làm việc tốt khi cực của điện dung shunt là nhỏ hơn 25kHz.
Nếu zero ở tần số cao hơn thì các ảnh hưởng của nó có thể bị loại bỏ bằng cách đặt thêm RC
trên kênh 1 với cực lớn hơn 1dB (1decade) so với bộ lọc răng cưa là 100Ω và 33nF.
Cần thật cẩn thận khi chọn một shunt để đảm bảo điện dung kí sinh của nó là nhỏ.
Điều này đặc biệt đúng với các shunt có giá trị trở kháng nhỏ <200 µΩ. Chú ý rằng trở kháng
shunt càng nhỏ thì tần số zero cho điện cảm kí sinh càng thấp (Zero = RSH1/LSH1).

 Thiết kế nguồn cấp
Thiết kế này sử dụng một nguồn cấp đơn giản giá rẻ dựa trên mạng chia tụ điện C17
và C18. Hầu hết điện áp dây đều rơi trên C17, đó là một tụ điện film metalized polyeste
470nF 250V. Điện kháng của tụ điện C17 quyết định đến mức VA danh định của nguồn cấp.
Tuy nhiên độ lớn của C17 bị hạn chế bởi thông số kỹ thuật về tiêu thụ năng lượng trong
IEC1036. Tổng công suất tiêu thụ trong mạch điện áp bao gồm cả nguồn cấp được chỉ định

trong chương 4.4.1.1 của IEC1036. Thổng công suất tiêu thụ trên mỗi pha là 2W và 10VA ở
những điều kiện bình thường. Thông thường VA danh định của nguồn trong thiết kế này là
7VA. Tổng nguồn tiêu tán xấp xỉ 0.5W. Cùng với nguồn tiêu tán trên điện trở shunt ở 40A thì
tổng nguồn tiêu thụ của bộ đo là 1.06W. Hình dưới đây cho thấy thiết kế của mạch nguồn.


Các biểu đồ trình bày dưới đây cho thấy hiệu xuất của PSU dưới tải lớn (50A) với
điện áp dây thay đổi từ 180V tới 250V. Cho đến giờ thì tải lớn nhất của nguồn cấp là dòng
điện cần để lái mô tơ bước có điện kháng cuộn dây khoảng 400Ω. Điều này dễ thấy nhất bằng
cách nhìn ở V1 (điện áp trên V18) trong biểu đồ dưới. Hình 16 cho thấy dòng điện chảy ra từ
nguồn cấp. Tham khảo hình 14 khi xem xét các hình mô phỏng bên dưới.


 Thiết kế để tránh các nhiễu tạp điện từ
Trong phần 4.5 của IEC1036 được bắt đầu bằng “đồng hồ phải được thiết kế theo
cách mà nhiễu hoặc bức xạ điện từ cũng như phóng tĩnh điện không làm hỏng hay ảnh hưởng
đáng kể đến đồng hồ”.Các nhiễu tạp cần phải xem xét là:
1. Phóng tĩnh điện
2. Các trường HF điện từ
3. Các xung quá độ nhanh (Fast Transience Burst)
Tất cả các biện pháp phòng tránh và công nghệ thiết kế (ferrite beads, capacitor line
filters, các điện trở smd có kích thước lớn , PCB layout bao gồm đất) đều góp phần để đảm


bảo các mức độ trong việc bảo vệ các bộ đo điện tử từ mỗi dạng nhiễu tạp điện từ. Tuy nhiên,
một số biện áp phòng tránh (ferrite beads) đóng vai trò quan trọng hơn trong việc ngăn ngừa
các loại nhiễu tạp (RF hay xung quá độ nhanh). Dước đây là các thảo luận về mỗi loại nhiễu
tạp được liệt kê ở trên và các chi tiết về cách bảo vệ cùng vị trí đặt chúng.

 Phóng tĩnh điện

Mặc dù nhiều thành phần điện tử nhạy cảm có tích hợp các mạch bảo vệ trên chip
nhưng không phải như thế đã đủ để bảo vệ chống lại các loại xả nghiêm trọng được mô tả
dưới đây. Vấn đề khác đó là ảnh hưởng của phóng điện ESD là tích lũy, một thiết bị có thể
sống sót sau một lần phóng ESD, nhưng không bảo đảm rằng nó sẽ sống xót qua nhiều lần
phóng ở một số tầng trong tương lai. Cách tốt nhất là loại bỏ hoặc làm suy giảm các ảnh
hưởng của ESD ngay cả trước khi nó tiếp xúc với các thiết bị điện tử nhạy cảm. Điều này
đúng với tất cả các nhiễu tạp điện từ xảy ra. Thử nghiệm này được thực hiện theo IEC1000-42 theo các điều kiện dưới đây:
- Phóng tiếp xúc
- Thử nghiệm mức độ nghiêm trọng mức 4
- Điện áp thử nghiệm 8kV
- 10 lần phóng điện
Thường không thêm các thành phần bổ xung để bảo vệ thiết bị. Với một chút cẩn thận
các thành phần được yêu cầu trong mạch có thể thực hiện vai trò kép. Cho ví dụ, bộ đo cần
phải được bảo vệ từ các sự kiện ESD ở các điểm mà nó tiếp xúc với bên ngoài như kết nối tới
shunt. Ở đây AD7755 được kết nối tới shunt thông qua 2 bộ lọc thông thấp (các bộ lọc răng
cưa) mà được yêu cầu bởi ADC. Bộ lọc RC này có thể cũng đủ để bảo vệ ngăn các hư hại từ
ESD tới các thiết bị CMOS. Tuy nhiên, cần phải có một số lưu ý với các linh kiện được sử
dụng. Ví dụ, các điện trở không nên là điện trở dây cuốn vì sự phóng điện sẽ truyền qua
chúng rất đơn giản.Các điện trở cũng nên có kích thước lớn để dừng việc phóng điện vòng
qua điện trở. Trong thiết kế này, các điện trở SMD 1206 1/8W được sử dụng trong các bộ lọc
răng cưa. Hai ferrite beads cũng được đặt nối tiếp với các đường kết nối tới shunt. Một cuộn
cảm ferrite đặc biệt hiệu quả trong việc làm chậm thời gian tăng nhanh của xung dòng điện
ESD. Các năng lượng quá độ tần số cao được thấp thụ trong vật liệu ferrite chứ không bị
chuyển hướng hoặc phản xạ đến một phần khác của hệ thống (các tính chất của ferrite sẽ
được thảo luận ở phần sau). Mạch PSU cũng được kết nối trực tiếp đến các đầu của bộ đo. Ở
đây phóng điện sẽ bị tiêu thụ bởi ferrite, tụ điện lọc C16 và các đi ốt chỉnh lưu D2 và D3.
Đầu vào tương tự V2P được bảo vệ bởi trở kháng lớn của mạng suy giảm được sử dụng để
hiệu chuẩn.
Một kỹ thuật chi phí thấp rất phổ biến khác được sử dụng để bắt các sự kiện ESD là
sử dụng khe hở tia lửa ở phía thành phần của PCB – hình 19. Tuy nhiên, vì đồng hồ có thể sẽ

hoạt động trong môi trường ngoài trời và chịu nhiều phóng điện, điều này không được
khuyến nghị tại các nút nhạy cảm như kết nối shunt. Nhiều phóng điện có thể gây ra tích tụ
carbon trên khe hở tia lửa nên có thể gây ra chập điện hoặc đưa thêm vào một số trở kháng
làm ảnh hưởng đến độ chính xác. Một khe hở tia lửa đã được đưa vào trong PSU sau MOV
để xử lý bất kỳ sự phóng điện với cường độ rất cao và thời gian tăng nhanh.


 Các trường HF điện từ
Thử nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn IEC100-4-3 . Sự mẫn cảm của cách mạch
điện tích hợp với RF có xu hưỡng rõ ráng hơn ở vùng 20MHz-200MHz. Các tần số cao hơn
có xu hướng bị đẩy ra khỏi các thiết bị nhạy cảm bởi các tụ kí sinh. Nói chung, ở cấp độ IC,
các ảnh hưởng của RF trong vùng 20MHz-200MHz sẽ có xu hướng băng thông rộng trong tự
nhiên, một số tần số sẽ rắc rối hơn một số khác. Tuy nhiên, có thể có độ nhạy cao hơn với các
tần số nhất định do cộng hưởng trên PCB. Những cộng hưởng này có thể chèn vào các mức
tăng ở những tần số nhất định gây ra các vấn đề cho các thiết bị nhạy cảm. Cho đến nay, các
mức RF lớn nhất xâm nhập vào hệ thống là đi qua cáp. Các điểm kết nối này nên được bảo
vệ. Một số công nghệ để bảo vệ hệ thống là:
1. Tối thiểu băng thông mạch
2. Cách ly các phần nhạy cảm trong hệ thống


Tối thiểu băng thông mạch

Trong ứng dụng này băng thông tương tự được yêu cầu chỉ là 2kHz. Đây là một ưu
điểm đáng kể khi cố gắng làm giảm các ảnh hưởng của RF. Các vị trí vào cáp có thể được lọc
thông thấp để làm giảm lượng bức xạ RF đi vào hệ thống. Đầu ra shunt cũng được lọc trước
khi kết nối đến AD7755. Điều này để ngăn các ảnh hưởng răng cưa đã được mô tả từ trước.
Bằng việc chọn lựa đúng các linh kiện và thêm một số thành phần nữa (như ferrite beads) các
bộ lọc răng cưa này có thể nhân đôi các bộ lọc RF hiệu quả. Hình 7 trình bày một số thứ để lý
tưởng hóa đáp ứng tần số cho các bộ lọc răng cưa trên các đầu vào tương tự. Khi xem xét ở

tần số cao hơn (>1MHz), các thành phần phản kháng kí sinh của mỗi thành phần được gộp lại
cần phản được xem xét. Hình 20 cho thấy các bộ lọc răng cưa có bao gồm cả các phần tử kí
sinh. Các giá trị dung kháng và cảm kháng kí sinh này trở nên đáng kể ở tần số cao và do vậy
nó cần phải được xem xét.


Các kí sinh có thể được dữ ở mức tối thiểu bằng cách sử dụng các linh kiện có kích
thước nhỏ với chân ngắn (bề mặt nhỏ). Bởi vì không biết được chính xác các điều kiện trở
kháng nguồn(điều này sẽ phụ thuộc vào trở kháng nguồn của nguồn cấp điện), một số biện
pháp phòng tránh phổ biến nên được thực hiện để tối thiểu các ảnh hưởng của cộng hưởng.
Sự cộng hưởng là kết quả của sự tương tác giữa trở kháng nguồn và mạng bộ lọc có thể là
nguyên nhân các ảnh hưởng được thêm vào và cũng làm tăng sự phơi nhiễm của hệ thống với
bức xạ RF ở những tần số nhất định (cộng hưởng). Các thành phần tổn hao như các tụ điện
với điện môi bị hao hụt (như loại X7R) và ferrite là các thành phần lý tưởng để làm giảm “Q”
của mạng đầu vào. Bức xạ RF được tiêu tán dưới dạng nhiệt thay vì phản xạ hoặc chuyển
hướng sang các thành phần khác của hệ thống. Ferrite beads Z3 và Z4 thực hiện rất tốt khía
cạnh này. Hình 21 dưới đây cho thấy cách mà trở kháng của các hạt ferrite thay đổi theo tần
số.


Từ hình 21 trên có thể thấy rằng vật liệu ferrite sẽ trở nên chủ yếu là điện trở ở tần số
cao. Cúng chú ý rằng trở kháng của vật liệu ferrite tăng cùng với tần số nên chỉ có tần số cao
(RF) là bị suy giảm.


Sự cách ly

Kết nối shunt là vị trí duy nhất mà AD7755 kết nối trực tiếp với bên ngoài. Hệ thống
cũng được kết nối đến các được dây pha và trung tính với mục đích tạo nguồn cấp và tín hiệu
kênh điện áp (V2). Hạt ferrite (Z1) và tụ điện lọc đường dây (C16) sẽ làm giảm đáng kể bất

kỳ bức xạ RF nào trên nguồn cấp.
Một đường dẫn khả dĩ khác cho RF là đường đất của hệ thống. Một kỹ thuật rãnh
(hào) được sử dụng để giúp cách ly các tín hiệu đất xung quanh AD7755 từ các điểm tham
chiếu đất bên ngoài (K4). Hình 22 dưới đây mô tả nguyên lý của công nghệ được gọi là phân
vùng hay là hào (moating).

Các vùng nhạy cảm của hệ thống được bảo vệ từ bức xạ RF đi vào hệ thống ở các kết
nối I/O. Diện tích quanh kết nối I/O không có bất kỳ plane ground hoặc nguồn nào. Điều này
làm giới hạn các đường dẫn của bức xạ RF và được gọi là một “moat”. Chắc chắn các kết nối
nguồn, đất, tín hiệu cần phải đi qua moat này và hình 22 cho thấy cách mà điều này có thể đạt
được sự an toàn bằng việc sử dụng một hạt ferrtite. Nhớ rằng ferrite cho một trở kháng lớn ở
tần số cao.

 Thử nghiệm xung điện quá độ nhanh EFT (electrical fast transience burst
testing)
Thử nghiệm này xác định sự miễn dịch của một hệ thống đối với các quá độ. Thử
nghiệm được thực hiện theo IEC10004-4 dước các điều kiện được xác định rõ. Xung EFT có
thể đặc biệt khó bảo vệ vì các nhiễu tạp được dẫn vào hệ thống thông qua các kết nối bên
ngoài như các dây nguồn. Hình 23 trình bày các tính chất vật lý của xung EFT được dùng


trong IEC1000-4-4. Có lẽ thuộc tính làm suy yếu nhất của xung không phải là biên độ của nó
(có thể cao hơn 4kV), nhưng có liên quan đến sự tăng nhanh của tần số cao. Với thời gian
tăng nhanh có nghĩa là nó sẽ cho phép xung thâm nhập vào các đường khác nhau của hệ
thống thông qua tụ rò. Các tín hiệu vi sai lớn có thể được tạo ra bởi điện cảm của các đường
mạch PCB và tín hiệu ground. Các tín hiệu vi sai lớn này có thể làm ngắt hoạt động của một
số linh kiện nhạy cảm. Hệ thống số hầu hết thường gặp rủi ro do hỏng dữ liệu. Các hệ thống
điện tương tự có xu hướng chỉ bị ảnh hưởng trong suốt thời gian nhiễu.

Vấn đề khả dĩ khác mà EFT có thể được dẫn vào hệ thống đó là các ảnh hưởng của

bức xạ, giống như ESD, thường được tích lũy với các linh kiện điện tử. Năng lượng trong
một xung EFT có thể cao tới 4mJ và được giải phóng lên đến 40A vào một tải 50Ω. Do đó sự
phơi nhiễm liên tục với EFT do tải điện cảm chuyển mạch có thể có ý nghĩa đối với độ tin
cậy lâu dài của các linh kiện. Các tiếp cận tốt nhất vấn đề này là bảo vệ các khu vực có thể
nhạy cảm ới EFT của hệ thống.
Kỹ thuật bảo vệ được mô tả trong chương sau (Electromagnetic HF Fields) cũng áp
dụng tốt như nhau trong trường hợp của EFT. Các linh kiện điện tử cũng nên được cách ly
với các nguồn nhiễu khả dĩ thông qua việc bố trí PCB (moating), lọc tín hiệu và các kết nối
nguồn. Hơn nữa, một tụ 10nF (C16) được đặt trên main cung cấp một trở kháng shunt thấp
cho các xung vi sai EFT. Điện cảm dò do các chân và đường mạch PCB hay gọi là MOV sẽ
không được hiệu quả trong việc làm giảm các xung EFT vi sai. MOVE rất có tác dụng trong
việc làm suy giảm năng lượng cao liên quan tới các nhiễu tạp trong thời giàn dài, như ánh
sáng chiếu vào…MOV sẽ được thảo luận trong chương tiếp theo.



Thể loại MOV S20K275

MOV được dùng trong thiết kế này là loại S20K275 từ Siemens. Một MOV về cơ bản
là điện trở phụ thuộc điện áp mà điện trở sẽ giảm cùng với mức tăng của điện áp. Chúng là
loại được kết nối song song với các thiết bị và mạch được bảo vệ. Quá áp chủ yếu rơi trên trở


kháng nguồn của nguồn quá áp, như trở kháng nguồn ở mạng chính. Hình 24 mô tả nguyên lý
của hoạt động.

Biểu đồ hình trên cho thấy cách mà điện áp MOV và dòng điện có thể được ước tính
cho quá áp và trở kháng nguồn. Một đường tải (điện áp hở mạch, dòng ngắn mạch) được vẽ
trên một đồ thị như đường đặc tuyến MOV. Ở đây, khi các đường giao nhau thì có thể đọc
được điện áp cắt và dòng điện. Chú ý rằng phải cẩn thận khi xác định dòng ngắn mạch. Phổ

tần số của quá áp cần phải được tính đến vì trở kháng nguồn có thể xem xét thay đổi đáng kể
theo tần số. Một trở kháng điển hình là 50Ω được sử dụng cho nguồn trở kháng chính trong
suốt quá trình thử nghiệm xung quá độ nhanh tần số cao. Chương tiếp sẽ thảo luận về
IEC1000-4-4 và IEC1000-4-5 với các thử nghiệm tuân thủ EMC quá áp và quá độ.



IEC1000-4-4 và S20K275

Trong khi kỹ thuật đồ họa được miêu tả là hữu ích, vẫn còn một cách tiếp cận tốt hơn
là sử dụng mô phỏng để hiểu tốt nhất về hoạt động của MOV. Các linh kiện EPCOS cung cấp
các kiểu SPICE cho tất cả các MOV và rất hữu ích khi muốn xác định sự hoạt động của thiết
bị dưới các điều kiện thay đổi. Thử nghiệm theo IEC EMC.
Mục đích của IEC1000-4-4 là xác định ảnh hưởng của độ lặp lại, năng lượng thấp,
điện áp cao và thời gian tăng nhanh của xung trên một hệ thống điện tử. Mục đích của dự
định này để mô phỏng các nhiễu quá độ giống như nguồn gốc của nó từ các chuyển mạch quá
độ. (sự ngắt tải điện cảm, đóng ngắt relay…).


Hình 25 dưới đây cho thấy một mạch tương đương dự định tái tạo xúng EFT như
được chỉ định trong IEC1000-4-4. Mạch phát dựa trên Hình 1 IEC1000-4-4. Các thông số kỹ
thuật hoạt động là:
- Năng lượng tối đa 4mJ/pulse ở 2kV đi vào 50Ω
- Trở kháng nguồn 50 Ω±20%
- Tụ blocking DC là 10nF
- Thời gian tăng của xung là 5ns ± 30%
- Pulse duration (50% giá trị) 50ns ± 30%
- Hình dạng xung như hình 23 ở trên.

Đầu ra mô phỏng của mạch này có điện trở tải thuần là 50 Ω được trình bày như hình

dưới. Biên độ xung đầu ra khi để hở mạch là 4kV. Do đó, trở kháng nguồn của mạch là 50 Ω
như được chỉ định bởi IEC100-4-4. Tỷ lệ đỉnh xung đầu ra khi không tải và có tải 50 Ω là
2:1.

Biểu đồ trong hình 26 cũng cho thấy dòng điện và công suất tức thời đã được phân
phối tới tải. Tổng năng lượng là tích phân của công suất và có thể được xấp xỉ bằng phương
pháp hình chữ nhật như hình. Nó được xấp xỉ là 4mJ ở 2kV như trên thông số kỹ thuật.


Hình 27 cho thấy đầu ra của mạch đi vào tải 50 Ω với MOV và một ít điện cảm
(5nH). Các điện cảm dò do đường mạch PCB và chân linh kiện cũng được đưa vào tính toán.
Mặc dù kết quả mô phỏng cho thấy rằng xung EFT có sự suy giảm (600V0 và hầu hết năng
lượng được hấp thụ bởi MOV (chỉ 0.8mJ là được đưa tới tải 50 Ω) nên chú ý rằng điện dung
và tụ điện dò có thể không nhỏ hơn MOV. Cho ví dụ hình 28 trình bày mô phỏng tương tự
với điện cảm dò được tăng tới 1µH mà có thể xảy ra nếu không quan tâm đúng mức đến việc
sắp xếp các linh kiện. Biên độ xung đạt 2kV lần nữa.

Khi tụ điện 10nF (C16) được kết nối, đường trở kháng thấp được cung cấp với các
xung EFT. Hình 29 cho thấy ảnh hưởng của kết nối C16. Ở đây, điện cảm (L1) được tháo ra
và thay bằng MOV. Biểu đồ cho thấy dòng điện qua C16 và điện áp qua tải 50 Ω. Tụ điện
C16 cung cấp một đường trở kháng thấp cho EFT. Chú ý dòng điển qua C16 là 80A. Kết quả
lf biên độ của xung EFT là suy giảm rất lớn.


 IEC1000-4-5
Mục đích của IEC100045 là thiết lập một tham chiếu chung đối với việc đánh giá hiệu
suất của thiết bị khi chịu nhiễu năng lượng cao trên nguồn hay đường dây liên kết. Hình 30
cho thấy một mạch được dùng để phát các xung sóng kết hợp (lai) như được mô tả trong
IEC1000-4-5. Nó dựa trên mạch trình bày trong hình 1 của IEC1000-4-5. Một bộ phát như
vậy tạo ra dạng sóng điện áp hở mạch 1.2µs/ 50µs và một dạng sóng dòng điện ngắn mạch 8

µs/20 µs, , đó là lý do vì sao nó được gọi như là một bộ phát lai. Mạch có trở kháng đầu ra
hiệu dụng là 2Ω. Điều này được định nghĩa như tỷ lệ của điện áp đỉnh hở mạch với dòng đỉnh
ngắn mạch.

Hình 31 trình bày các dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra của mạch. Các thông số
kỹ thuật của mạch sóng kết hợp này là:
Điện áp hở mạch:
- 0.5kV tới ít nhất là 4kV
- Dạng sóng như hình 31
- Dung sai trên điện áp hở mạch là ±10%
Dòng điện ngắn mạch :


- 0.25kA tới 2.0kA
- Dạng sóng như hình 31
- Dung sai trên dòng ngắn mạch là ±%
Tốc độ lặp lại ít nhất là 60 giây

MOV rất hiệu quả trong việc triệt tiêu các loại đột biến năng lượng cao và dài. Hình
32 cho thấy điện áp trên MOV khi nó được kết nối với mạch như hình 30. Hình cũng cho
thấy dạng sóng của dòng điện và công suất tức thời. Năng lượng được hấp thụ bởi MOV
được ước tính dẫ dàng sử dụng phương pháp hình chữ nhật như đã trình bày.




Giảm thiểu dòng quá độ MOV

Dòng quá độ tối đa (năng lượng bị hấp thụ) mà một MOV có thể xử lý phụ thuộc vào
lượng thời gian mà MOV tiếp xúc với những quá độ trên tuổi thọ của nó. Tuổi thọ của MOV

ngắn đi mỗi lần nó tiếp xúc với một sự kiện quá độ. Datasheet của một thiết bị MOV sẽ liệt
kê dòng quá độ không lặp lại tối đa của một xung dòng điện 8µs / 20µs. Nếu dòng xung có
thời gian dài hơn và nếu nó xuất hiệu nhiều hơn một lần trong suốt tuổi thọ của thiết bị thì
dòng tối đa cần phải được làm giảm bớt. Hình 33 cho thấy đường giảm của S20K275. Giả xử
thời gian tiếp xúc là 30 µs và dòng đỉnh giống như hình 32, số lần quá độ tối đa mà MOV có
thể xử lý trước khi nó vượt khỏi các thông số kỹ thuật là 10. Sau khi lặp lại ( 10 lần như mô
tả) điện áp MOV sẽ thay đổi. Sau khi tăng lúc ban đầu, nó sẽ giảm nhanh về sau.



Các kết quả thử nghiệm EMC

Thiết kế tham khảo có đầy đủ các thử nghiệm của EMC tại một nhà thử nghiệm độc
lập. Thử nghiệm được thực hiện bởi Intergrity Design & Test Services Inc., Littleton, MA
01460, USA. Thiết kế tham khảo cũng được đánh giá với các phát xạ (EN 55022 Class B)
theo các yêu cầu IEC 1036:1996. Một bản sao chép của báo cáo thử nghiệm có trên website
của Analog Devices.
Thiết kế cũng đánh giá sự mẫn cảm với phóng tĩnh điện (ESD), can nhiễu tần số vô
tuyến (RFI), khóa can nhiễu tần số vô tuyến, và quá độ nhanh (EFT), theo các yêu cầu của
IEC 1036:1996

 Thiết kế PCB
Tất cả sự mẫn cảm với nhiễu truyền tải, bức xạ điện từ và hiệu suất tương tự đều được
xem xét ở tầng thiết kế PCB. May mắn thay, nhiều kỹ thuật thiết kế được sử dụng để nâng
cao hiệu suất tín hiệu tương tự và tín hiệu hỗn hợp cũng rất phù hợp để cải thiện độ mạch