計測および電力量モニタリング

ADE9000は高精度、全機能内蔵の多相電力量／電力品質モニタリング用デバイスです。優れたアナログ性能とデジタル・シグナル・プロセッサ(DSP) コアにより広いダイナミック・レンジにわたり正確な電力量モニタリングが可能です。ハイエンドのリファレンスを内蔵しているので全温度範囲で温度ドリフトが低く、プログラマブル・ゲイン・アンプ (PGA)、A/D コンバータ(ADC)を含む1チャンネルにわたる総合ドリフトは最大で±25 ppm/°C 以下です。

ADE9000は完璧な電力モニタリング機能があり、rms、有効、無効、皮相の電力と電力量に関する総合と基本波の測定値を提供します。低下と増大のモニター、周波数、位相角、電圧全高調波歪み（VTHD）、電流全高調波歪み（ITHD）、力率の測定のような高度な機能を備えているので電力品質の測定の実施が可能になります。IEC 61000-4-30 クラスSに従って計算される ½サイクルrms、10サイクルrms、12サイクルrmsはリアルタイム・モニタリングのための瞬時rms測定値を提供します。

ADE9000は、32 kSPSあるい8 kSPSの固定データ・レート、またはライン・サイクルあたり 128ポイントを保証するライン周波数に基づいて変化するサンプリング・レートでサンプルを格納する、柔軟な波形バッファを内蔵しています。リサンプリングは、外部プロセッサで50以上の高調波の高速フーリエ変換（FFT）計算を簡素化します。

ADE9000はアクイジション・エンジンと計算エンジンをすきまなく集積することにより、電力量と電力の品質モニタリング・システムの実施を簡素化しています。内蔵のADC と DSPエンジンは各種パラメータを計算して、ユーザがアクセス可能なレジスタを介してデータを提供したり、あるいは割り込みピンを通してイベントを表示します。ADE9000は7個の専用ADCチャンネルを備えており、3相システム又は最大3個の単相システムに使用可能です。この製品はカレント・トランス（CT）あるいはロゴスキー・コイルに対応しているので電流測定が行えます。デジタル積分器を備えているのでロゴスキー・コイルに要求されるデスクリートの積分器は必要ありません。

ADE9000は電力モニタリング・システムの大部分の計算の複雑さを緩和します。簡素なホスト・マイクロコントローラを使用する事により、ADE9000はスタンドアロンのモニタリング・システム又は保護システムあるいはデータをクラウドにアップロードする低価格ノードの設計を可能にします。

このデータシートを通して、CF4/EVENT/DREADYのような複数機能をもつピンはピン名をフルで呼称する場合とピンの1機能（たとえばEVENTで、その機能のみ関連する時）で呼称する場合がある事に注意してください。

• 電力量と電力のモニタリング
• 電力品質のモニタリング
• 保護用デバイス
• 機械の正常動作監視
• スマート電力分配ユニット
• 多相電力量計

ADE9078 は高精度で高集積の電力量計デバイスです。カレント・トランス（CT）とロゴスキー・コイル・センサーの両方とインターフェースすることにより、ADE9078 は、クラス 1 からクラス 0.2 までの高性能メーターを実現する 3 相測定プラットフォームの開発を可能にします。

ADE9078 は7 個の高性能 ADC と柔軟な DSP コアを内蔵しています。内蔵のハイエンド・リファレンスは全温度範囲で低ドリフトが保証されており、チャンネルあたりの総合ドリフトは最大で ±25 ppm/°C 未満です。各チャンネルはプログラマブル・ゲイン・アンプ（PGA）と ADC を備えています。

ADE9078 は、固定データ・レート、またはライン・サイクルあたり 64 ポイントを保証するライン周波数に基づいて変化するサンプリング・レートでサンプルを格納する、柔軟な波形バッファを内蔵しています。これら 2 つのオプションにより、外部プロセッサで IEC 61000-4-7 に従った高調波解析を容易に実行できます。

メーターの改ざんの検出を可能にする 2 つの電力モードを備えています。PSM2 は、低消費電力コンパレータを使って電流チャンネルを閾値と比較し、超えているかどうかを IRQ0 出力および IRQ1 出力に示します。PSM1 は、電流および電圧の実効値（xVRMS および xIRMS）、有効電力、および改ざん時の VAR の高速測定を可能にします。

ADE9078 は高度かつ高精度な電力量計測を可能にし、各種ハイエンドの計測機能と卓越したアナログ性能の組み合せにより、1 つのプラットフォームで様々なメーターに対応することができます。

• 多相メーター
• 電力品質のモニタリング
• 保護用デバイス

ADE7880は、シリアル・インターフェースと3つの柔軟性を備えたパルス出力を内蔵する、高精度3相電力量計ICです。ADE7880は、2次のシグマ・デルタ（ΣΔ）型A/Dコンバータ、デジタル積分器、リファレンス回路および、トータル（基本波と高調波の）有効／皮相電力量の測定、rms計算の実行に必要なすべての信号処理機能、ならびに基本波のみの有効／無効電力量計測の信号処理も内蔵しています。更にADE7880は、相電流／中性電流と相電圧の高調波rms値、有効／無効／皮相電力、全相について各高調波の力率と高調波歪みを計算します。全高調波歪とノイズ（THD+N）は、全ての電流と電圧に関して計算されます。固定小数点機能を備えたデジタル信号プロセッサ（DSP）がこの信号処理を実行します。DSPのプログラムは内部ROMメモリにストアーされます。

ADE7880は、3線と4線のWYE結線やデルタ結線方式のような、さまざまな3相構成の有効/無効/皮相電力量の測定に適しています。ADE7880は、各相に対するシステム・キャリブレーション機能、すなわちrmsオフセット補正、位相キャリブレーション、ゲイン・キャリブレーションを提供します。CF1、CF2およびCF3のロジック出力は、以下のような幅広い電力情報を提供します：トータルの有効、および皮相電力、または電流rms値の合計、基本波の有効および無効電力

ADE7880は、全てのADC出力にアクセス可能とする、波形サンプル・レジスタを内蔵しています。またこの製品は以下のような電力品質に関わる計測も可能です：ショート・デュレーション・ローまたはハイの電圧検出、ショート・デュレーション・ハイの電流変化、ライン電圧の期間計測、電圧と電流間の位相角。2つのシリアル・インターフェース、SPIとI²C、がADE7880との通信として使うことができます。専用の高速インターフェース、高速データ・キャプチャー（HSDC）ポートはI²Cと共に使うと、ADC出力とリアルタイムの電力情報へアクセスすることができます。またADE7880は2つの割り込み要求ピン、IRQ0とIRQ1、を備えており、割り込みイベントが発生した際にイネーブルを表示します。3種の特別に設計されたローパワ・モードでは、ADE7880が盗電状態である場合でも、積算電力の継続を確実にします。ADE7880は40ピンのLFCSP鉛フリー・パッケージを採用しており、ADE7854/ADE7858/ADE7868およびADE7878とピン互換となっています。

アプリケーション

• 電力量メータ・システム
• 電力品質のモニタリング
• ソラー用インバータ
• プロセス・モニタリング
• 保護用デバイス

The test system shown in Figure 1 is an accurate, cost effective, 8-channel battery testing system for single-cell, lithium ion (Li-ion) batteries with open circuit voltage (OCV) between 3.5 V and 4.4 V.

The demand for Lithium ion (Li-ion) batteries is high for use in both low power and high power applications, such as laptop computers, mobile phones, portable wireless terminals, as well as hybrid electric vehicles/all-electric vehicles (HEV/EV). Li-ion batteries therefore require accurate and reliable test systems.

The battery test system in Figure 1 is composed of multiple input/output boards (EVAL-CN0352-EB1Z_IO) for handling the charging and discharging process, an MCU board (EVAL- CN0352-EB1Z_MCU) for battery data acquisition, testing, monitoring, and temperature management, and a backplane base board (EVAL-CN0352-EB1Z_BAS) that provides the signal interconnections between the MCU board and the multiple input/output boards.

The circuit uses the ADP5065 fast charging battery manager for flexible, efficient, high stability charging control with low cost, small printed circuit board (PCB) area, and ease of use compared to traditional discrete solutions.

Highly integrated precision data acquisition and processing is provided by the ADuCM360 precision analog microcontroller. The ADuCM360 acquires the battery voltage, current, and temperature. A high precision analog-to-digital converter (ADC), digital-to-analog converter (DAC), and an on-chip microcontroller allows completely self-contained control of the charging and discharging process.

The analog front end is fully differential with high CMRR and excellent immunity to both common-mode and ground noise caused by large currents generated during the charge and discharge cycles.

The number of channels can easily be expanded to further reduce testing time and cost per battery.

図1に示す回路は、絶縁型電源を備えた完全絶縁電流検出回路です。極めて堅牢なこの回路は、検出抵抗の近くに配置し、ノイズのピックアップを最小限に抑えて正確な測定を行うことができます。出力はシグマ・デルタ変調器からの16MHzシングル・ビット・ストリームで、これはDSPによりSINC3デジタル・フィルタを使って処理されます。

この回路はピークAC電流が数百ボルトで、電流が数mAから25Aまで変化する太陽光発電（PV）コンバータのAC電流のモニタリングに最適です。

図1に示す回路は、+500Vまでの高い正の同相DC電圧が存在するシステムで、電流を誤差0.2%以下でモニタします。負荷電流は（回路に外付けの）シャント抵抗を通って流れます。シャント抵抗の値は、シャント電圧が最大負荷電流時に約500 mVになるように選びます。

AD8212は外付けPNPトランジスタと共に使用すると、500 V以上の高い正同相電圧が上に乗った小さい差動入力電圧を高精度に増幅します。

回路は4チャンネル・アイソレータADuM5402 によって直流絶縁されます。この絶縁は回路を保護するだけでなく後段の回路を高同相電圧から絶縁します。デジタル・アイソレータADuM5402は出力データを絶縁するだけでなく、絶縁された+3.3 V電源を回路に供給します。

AD7171からの測定結果はデジタル・コードとして単純な2線、SPI互換のシリアル・インターフェースを通して提供されます。

この部品の組み合わせにより少数の部品数、低価格、低消費電力で高精度、高電圧、正レールの電流検出回路が得られます。

図1 に示す回路は、−48 V の各チャンネルの電流を1%精度でモ ニタできます。負荷電流は（回路に外付けの）シャント抵抗を 流れます。シャント抵抗の値はシャント電圧が負荷最大電流時 に約50 mV になるように選びます。

AD7171からの測定結果は単純な2 線、SPI 互換のシリアル・イン ターフェースを利用したデジタル・コードとして出力されます。 全体の回路は+3.3 V 単電源で動作します。オプションの直流絶縁 はクワッド・チャンネル・アイソレータADuM5402によって実現 できます。デジタル・アイソレータADuM5402は出力データを絶 縁するだけでなく絶縁した回路用+3.3 V 電源も供給できます。も し直流絶縁が必要ない場合、通常の回路動作にはADuM5402 は必 要ありません。

これらの部品を組み合わせる事によりわずかな部品数、低価格、 低消費電力で、高電圧負レールの高精度電流検出回路が実現でき ます。測定精度は主に抵抗の許容誤差とバンド・ギャップ・リフ ァレンスの精度によって決まりますが、一般的に1%以下です。

リチウムイオン(Li-Ion)バッテリ・スタックには多数の単一セルが含まれていますが、バッテリ効率を向上し、バッテリの寿命を延ばすためにはそれらの単一セルを正確にモニターしなければなりません。図1に示した回路の中の6チャンネルデバイス AD7280A は正確な測定データをバッテリ管理コントローラ(BMC)に提供する主要モニターとしの役割を果たします。

AD7280Aには内部±3 ppmリファレンスが内蔵されているので、±1.6 mVのセル電圧測定精度が得られます。ADCの分解能は12ビットで、48セルまでの変換を7μs以内で行う事ができます。

バッテリ管理システム (BMS)の高電圧側に接続されているAD7280Aはデイジーチェーン・インターフェースを備えているので、AD7280Aを8個まで直列接続して48個のLi-Ionセル電圧をモニターする事ができます。スタック（直列接続）の隣接したAD7280の間で直接通信が可能で、絶縁する事なしにデータをスタックの上下に送る事ができます。スタックの最低電位に接続されるAD7280Aマスター・デバイスは、BMCとの通信にSPIインターフェースを使用しますが、この部分だけにBMSの低電圧側を高電圧から保護するために磁気絶縁が要求されます。デジタル・アイソレータ ADuM1201 とDC/DCコンバータ内蔵のアイソレータ ADuM5401 の組み合わせにより、必要とされるコンパクトで、費用対効果の良い、6チャンネル・アイソレーションが実現します。

Lithium ion (Li-Ion) battery stacks contain a large number of individual cells that must be monitored correctly in order to enhance the battery efficiency, prolong the battery life, and ensure safety. The 6-channel AD7280A devices in the circuit shown in Figure 1 act as the primary monitor providing accurate voltage measurement data to the System Demonstration Platform (SDP-B) evaluation board, and the 6-channel AD8280 devices act as the secondary monitor and protection system. Both devices can operate from a single wide supply range of 8 V to 30 V and operate over the industrial temperature range of −40°C to +105°C.

The AD7280A contains an internal ±3 ppm reference that allows a cell voltage measurement accuracy of ±1.6 mV. The ADC resolution is 12 bits and allows conversion of up to 48 cells within 7 μs.

The AD7280A has cell balancing interface outputs designed to control external FET transistors to allow discharging of individual cells and forcing all the cells in the stack to have identical voltages.

The AD8280 functions independently of the primary monitor and provides alarm functions indicating out of tolerance conditions. It contains its own reference and LDO, both of which are powered completely from the battery cell stack. The reference, in conjunction with external resistor dividers, is used to establish trip points for the over/undervoltages. Each cell channel contains programmable deglitching (D/G) circuitry to avoid alarming from transient input levels.

The AD7280A and AD8280, which reside on the high voltage side of the battery management system (BMS) have a daisychain interface, which allows up to eight AD7280A’s and eight AD8280’s to be stacked together and allows for 48 Li-Ion cell voltages to be monitored. Adjacent AD7280A's and AD8280’s in the stack can communicate directly, passing data up and down the stack without the need for isolation.

The master devices on the bottom of the stack use the SPI interface and GPIOs to communicate with the SDP-B evaluation board, and it is only at this point that high voltage galvanic isolation is required to protect the low voltage side of the SDP-B board. The ADuM1400, ADuM1401 digital isolator, and the ADuM5404 isolator with integrated dc-to-dc converter combine to provide the required eleven channels of isolation in a compact and cost effective solution. The ADuM5404 also provides isolated 5 V to the VDRIVE input of the lower AD7280A and the VDD2 supply voltage for the ADuM1400 and ADuM1401 isolators.