AN-2633: ADEMA12x、ADE91xx、デイジーチェーン・インターフェースを使用したアナログ・デバイセズの分岐回路アプリケーション用ソリューション
はじめに
アナログ・デバイセズの分岐回路モニタリング（BCM）ソリューションは、（a）デイジーチェーン SPI、（b）ADE91xxおよび ADEMA12x 製品ファミリの A/D コンバータ（ADC）同期機能、（c）ホスト・マイクロコントローラ（MCU）で実行される計測ソフトウェアを活用し、システムのスケーラビリティを実現するモジュール式で簡素化されたアーキテクチャを提供しています。このソリューションには高電圧箇所におけるデータと電源の絶縁機能も内蔵されているため、部品数を削減し、より安全にシステムを操作できます。アナログ・デバイセズの BCM 用高精度ソリューションは、カレント・トランス（CT）やロゴスキー・コイルなどの非接触型電流センサーに対応しています。ロゴスキー・コイルをシームレスに統合できるよう、ADEMA12x には積分器と 2 次ハイパス・フィルタ（HPF）が組み込まれているため、外付け部品が不要です。
このアプリケーション・ノートでは、構成について詳しく説明し、製品ファミリおよびソフトウェア・サービスの概要を紹介すると共に、既存のアーキテクチャと比較した本ソリューションの利点について解説します。アプリケーションには、配電ユニット（PDU）、サーキット・ブレーカ／パネル、分散型負荷モニタリングが含まれます。
BCM：高成長分野でのアプリケーションの実現
データ・センター、スマート・ビルディング、産業用オートメーションの拡大に伴い消費電力が急増する中、BCMの必要性がますます高まっています。これらの分野では大量のエネルギーを消費し、ダウンタイムを最小限に抑える必要があるため、リアルタイムの電力モニタリングが重要です。BCM導入の主な推進要因として、エネルギー効率向上の推進、規制への準拠、スマート・ビルディングへの投資、産業の急速な成長などが挙げられます。
従来のモニタリング方法では多くの手作業が必要なうえ、各分岐回路の電力使用量を正確に追跡できないため、回路の過負荷を防止し、信頼性を向上させるBCMの開発が進められました。BCMソリューションの主な要件は、以下のとおりです。
- 全測定チャンネルでの高精度な測定と同期。
- リアルタイムのエネルギー測定とリモート管理。
- アーキテクチャのスケーラビリティと高電圧に対する安全性。
- 部品数の削減。
- 長期間にわたる信頼性の高い性能。
BCM システムは、配電に関する詳細な情報を提供し、負荷バランシング、デマンド・レスポンス、ダイナミック・プライシングを可能にすることで、計測システムから管理システムへの進化も実現します。技術の進歩、特に IoT や AI の統合により、BCM の機能が強化され、予知保全やリアルタイムのフォルト検出が可能になっています。この移行により、意思決定の質や運用効率が向上し、エネルギー・データの精度が高まるため、コストの管理や将来の拡張計画にも役立ちます。
生産現場や産業現場、データ・センターでのハイパースケール処理環境では、エネルギー需要が負荷や速度に応じて変動するため、リアルタイムのモニタリングが非常に重要です。これらのトレンドが、現代のエネルギー管理やインフラストラクチャの強靭性におけるBCMの重要な役割を裏付けています。
設計の概要
以下のアナログ・デバイセズ製品を使用します。
- ADE91xx（SPI（シリアル・ポート・インターフェース）搭載の2/3チャンネル絶縁型／非絶縁型シグマデルタADC）
- ADEMA12x（SPI搭載の4/7チャンネル非絶縁型シグマデルタADC）
- ADCドライバ
ADE91xx と ADEMA12xのデイジーチェーンSPIとADCの同期機能により、前述の各分野で多様なBMCアプリケーションに対応できます。複数ADCシステムの設計方法について詳しくは、AN-2625：複数のADE ADCを使用した設計 | アナログ・デバイセズを参照してください。
図1に示す設計では、1つのADE9113を絶縁型の3相電圧測定に、2つのADEMA127 ADCを 14系統の電流測定に使用しています（各ADCで7系統の電流を測定）。ADE9113とADEMA127は、計測ソフトウェアを実行する顧客のホストMCUにデイジーチェーンSPIで接続されています。
設計の利点
この設計には多くの利点があります。主な利点は以下のとおりです。
- ADE9113の使用による完全絶縁設計。
- 信号パスに追加の絶縁は不要です。
- デイジーチェーン構成により、必要なSPIポートは1つのみ。
- 全チャンネルで完全に同期された電圧および電流の測定により、正確な電力とエネルギーの計算が可能。
- 以下の各種電流センサー用として ADEMA12x に内蔵されたフィルタ／補償機能：
- カレント・トランス。
- ロゴスキー・コイル。
- 計測ソフトウェアとの互換性。
- 電流チャンネルを容易に追加できるスケーラビリティ：
- デイジーチェーンに ADEMA12x ADC を追加することで、電流測定チャンネルを追加可能。
- 詳細については、AN-2625を参照してください。
デバイスの説明
ADEMA127/ADEMA124
ADEMA127/ADEMA124 は、7 チャンネル／4 チャンネルの同時サンプリング 24 ビット ΣΔ ADC で、多相または単相のエネルギー計測アプリケーションに最適です。
ADEMA127/ADEMA124は以下の機能を備えています。
- ADCチャンネルごとのゲイン、位相、オフセット補償が可能な、独立したハードウェア・フィルタおよびDSP（デジタル信号処理）フィルタ。
- 積分器や2次HPFなど、ロゴスキー・センサーの統合を簡素化する専用の補償機能およびDSP機能を備えています。
- 設定やデータ取得用の柔軟なSPIインターフェースを備えています。デイジーチェーンSPIインターフェースにより、互換性のある複数のADCを単一のSPIポートで同時に処理できるため、ホストMCUのピン数を削減できます。
| Feature | Performance | System Benefit |
| Analog input range | ±1.2V peak differential | Support Class 0.2 meters |
| SNR/Dynamic range | Up to 98dB at 64kSPS | High-precision metering applications; enables power quality or non-intrusive load monitoring (NILM) platform |
| Output data rates | 64kSPS, 32kSPS, 16kSPS, 8kSPS, 4kSPS, 2kSPS, 1kSPS, 500SPS, 250SPS | Flexible output data rates |
| Channel drift | 2 ppm/°C (Typical) 10 ppm/°C (Max) |
Meter accuracy over wider temperature range |
| Operating temperature | −40°C to +125°C | Wide operating temperature for more robust use cases |
| Rogowski coil support | Digital integrator and HPF integrated | Lower system cost |
| Gain and phase calibration | Gain ±2 Phase calibration ± 0.99 samples |
Correct for CT variation |
| Power consumption | 14mW (typical) – 4-channel | Higher efficiency; supports tamper detect |
| Fast startup | 0.5ms after supply up | Circuit breakers/protection relays |
機能と仕様の詳細については、ADEMA127/ADEMA124のデータシートを参照してください。
ADE9103/ADE9112/ADE9113
ADE9113は、DCおよびACの多相シャント方式電力量計アプリケーション向けの高精度同時サンプリング ΣΔ ADC です。ADE9113は以下の特性を備えています。
- 安全認証を受けた信号および電力のガルバニック絶縁と、3つの同時サンプリング完全差動24ビットΣΔ ADCチャンネルを統合しています。
- デイジーチェーン機能に対応した双方向SPIを備えており、必要なMCUのピン数を減らしながら、すべてのレジスタにアクセスできます。
| Feature | Specification | System Benefit |
| Dynamic range | 5000:1 86dB SNR |
ADC performance at 4kSPS (±31.25mV) |
| Output data rates | 32kSPS, 8kSPS, 4kSPS, 2kSPS, 1kSPS | Faster and more flexible output rate |
| Operating temperature | −40°C to +125°C | Wide operating temperature for more robust use cases |
| Input offset | ±10µV (maximum) | ±31.25mV input range |
| Offset drift | ±2nV/°C (typical) | AC and DC measurements |
| ADC gain drift over temperature | ±23ppm/°C (maximum) | |
| Power consumption | 26.5mW (typical) | From single 3.3V supply |
| Withstand isolation voltage | 5kVrms | According to UL 1577 |
機能と仕様の詳細については、ADE9113のデータシートを参照してください。
結果
CT仕様
力率（PF）と温度の変動に対する電力量の精度の測定に使用するCTの仕様は以下のとおりです。
- 巻数比：1:2500
- 最大電流定格：80ARMS
- 温度範囲：−40ºC～+70ºC
- 精度：1%
テスト・スイープ・パラメータ
PF と温度の変動に対する電力量の精度の測定で使用したテスト・スイープ・パラメータを表3に示します。
| Parameter | Values |
| Voltage | 230VRMS |
| Current | 0.02ARMS to 80ARMS |
| Power factor | +1, −0.5, +0.5 |
| Temperature | −40°C, +25°C , +70°C |
| Energy accumulation time | 20 seconds |
PFと温度の変動に対する電力量の精度
PF と温度の変動に対する電力量の精度の測定結果を図 2～図 4に示します。
ADEMA12xおよびADE91xx ADCは、最大クラス0.2%の計測に対応し、定格温度範囲は−40ºC～+125ºCです。
ドライバとサービス
ADCサービス
ADC サービスには、アナログ・デバイセズの計測用 ADC と接続するための一連の API（アプリケーション・プログラミング・インターフェース）が用意されており、複数の異なるデバイスからなる複雑なシステムでも SPI を介して波形サンプルを取得できます。コマンドの組み立て、レスポンスの解析、サーキュラ・バッファを使用したサンプルの保存を処理します。このサービスはレスポンスのCRCを検証し、検出したエラーにフラグを立てます。
更に、ゲインや位相、オフセットなどのデータ経路機能を設定するためのドライバとヘルパーAPI も備えています。この ADCサービスは、アナログ・デバイセズの計測用ADCと通信し、波形サンプルを収集するための一連の API を提供しています。analogdevicesinc/energy-adc-service
ドライバは、以下の用途に適しています。
- 単一ADCまたは基本機能
- 高度な設定
主な特長
ADCサービスの主な特長は以下のとおりです。
- 設定管理：
- デバイスの初期化：ADCが正しく設定され、通信チャンネルが確立されるようにします。
- 高度なパラメータ設定：デジタル積分器など、特定のアプリケーション向けのADC設定を構成できます。
- MCUとADC間の通信：
- データの読み書き：ADCの読出しと制御を行う機能。
- サンプル取得：波形サンプルを収集して保存する機能。
- シームレスなデイジーチェーン対応：
- 簡単な初期化により、SPIデイジーチェーン・モードで1つ以上のADCとの通信をサポートします。
- エラー管理：
- ADCのエラーをモニターし、対応が必要なエラーにフラグを立てます。
- CRCエラーを検出すると、最後に正常に取得されたサンプルを繰り返し使用します。
設計リソース
- ADEMA12xデータシート：ADEMA124/ADEMA127 （Rev. 0）
- ADE91xxデータシート：ADE9103/ADE9112/ADE9113 （Rev. 0）
- ADEMA12x評価用ボード：EVAL-ADEMA127評価用ボード | アナログ・デバイセズ
- ADE91xx評価用ボード：EVAL-ADE9113評価用ボード | アナログ・デバイセズ
- AN-2625アプリケーション・ノート：複数のADE ADCを使用した設計 | アナログ・デバイセズ
- EngineerZone™：ez.analog.com/energy-metering/