利用PWM和PAM測量交流功耗的三種方法

在運放和模擬開關(guān)中，要想實現(xiàn)脈沖寬度或者脈沖幅度調(diào)制，就需要利用PWM和PAM來測量電路的交流功耗，本文所設(shè)計的電路主要有三種設(shè)計方法，而且經(jīng)過修改后可以用于不同的應(yīng)用中。
通過采樣電壓與電流的乘積并進(jìn)行平均處理可以完成60Hz電路的平均功耗測量(相當(dāng)于VRMS×IRMS×cos(φ))。這里要用四象限乘法，因為瞬時電壓和電流可能具有相反的極性。它有很多種實現(xiàn)方法，包括模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換+數(shù)字信號處理，或者使用相對昂貴的模擬乘法器芯片+模擬或數(shù)字處理。本設(shè)計實例介紹了第三種方法。這種方法使用便宜的運放和模擬開關(guān)實現(xiàn)脈沖寬度/脈沖幅度調(diào)制器(PWM/PAM)并將它用作四象限乘法器。這種電路經(jīng)過修改可以用于許多不同的應(yīng)用。

PWM/PAM乘法器的基本概念是，一個(非重疊)脈沖波形在單個周期內(nèi)的平均值等于脈沖面積除以脈沖重復(fù)周期。由于每個矩形脈沖幅度正比于電壓值，寬度正比于電流，矩形面積正比于電壓與電流的乘積。如果脈沖重復(fù)速率遠(yuǎn)高于被測頻率，那么就可以假設(shè)在脈沖波形的一個周期內(nèi)電壓和電流不會有明顯的變化。PWM/PAM輸出連到一個低通濾波器，用于濾除脈沖頻率及其諧波，并恢復(fù)出想要的平均值。

電路共使用了兩個變壓器：一個是降壓變壓器TR1，用于產(chǎn)生低電平的電壓信號；另一個是電流變壓器TR2，用于產(chǎn)生低電平的電流信號，并具有完全的電流隔離。


圖1：使用脈沖調(diào)制技術(shù)測量交流功耗。

運放IC1-A用作比較器，產(chǎn)生頻率約為6kHz且相當(dāng)線性的三角波(圖2)。為了取得低于滿刻度1%的誤差，這種過采樣是必須的(100乘以60Hz信號頻率，或50乘以理論上的奈奎斯特頻率)。三角波的峰峰幅度必須滿足兩個條件才能獲得可接受的線性響應(yīng)。首先，它必須大于或等于T2產(chǎn)生的交流電流最大峰峰值電壓，這樣才能實現(xiàn)100%的PWM占空比。其次，它必須至少比±VCC低10%。


圖2：IC1-B(-)輸入。

運放IC1-B被配置為產(chǎn)生零基線的雙極方波(圖3)，其占空比取決于T2產(chǎn)生的電流信號的瞬時值。電容C2用于獲得陡峭的輸出電壓轉(zhuǎn)換。運放的壓擺率必須大于等于10V/μs，以便產(chǎn)生最優(yōu)的方波PWM信號。當(dāng)T2產(chǎn)生的瞬時電流信號值為0時，IC1-B將輸出占空比為50%的信號。隨著電流信號從0增加到滿刻度，占空比隨之從50%增加到100%。當(dāng)電流信號從0降低到負(fù)的滿刻度時，占空比將從50%減小到0%。


圖3：IC1-B輸出。

運放IC2-A、開關(guān)IC3-A和相關(guān)的電阻實現(xiàn)了一個四象限乘法器，實現(xiàn)形式相當(dāng)于增益為+1(開關(guān)閉合)或-1(開關(guān)斷開)的放大器。開關(guān)由IC1-B的PWM輸出進(jìn)行控制。當(dāng)IC1-B的輸出為正時，開關(guān)閉合；當(dāng)IC1-B的輸出為負(fù)時，開關(guān)斷開。從IC2-A產(chǎn)生的輸出(圖4)是IC1-BPWM輸出的復(fù)制(占空比正比于電流)，除了幅度正比于電壓外。


圖4：IC2-A輸出。

IC2-B是電路的最后一級，是一個低通濾波器，用于移除6kHz的PWM頻率及其諧波以及60Hz調(diào)制信號。它的輸出正比于PWM信號的平均值，因此就是平均的60Hz功耗值。