CN102570842B - 三相计量***及其方法 - Google Patents

三相计量***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于设备的相合的功率与定时信号，特别地涉及在单个电子设备中的相合的功率与定时信号。在一个实施方式中，电路可以包括仅一个隔离变压器，所述隔离变压器可操作用以产生功率信号和定时信号。在次级侧，两个分支可以提取功率信号和时钟信号两者，用于在被隔离的次级侧上的电路中使用。第一分支可以耦合到变压器，并且可操作用以将所述信号操纵为功率信号，比如5V直流信号。类似地，第二电路分支可操作用以将所述信号操纵为时钟信号，比如具有1MHz频率的5V信号。通过在次级侧从同一隔离变压器提取功率信号和时钟信号两者，可以因仅具有用于单个隔离变压器的单个绕组而在集成电路设备上节省宝贵的空间。

Description

三相计量***及其方法
技术领域
本发明涉及产生功率和定时信号的电路和方法、以及三相计量***。
背景技术
***和设备往往依靠两种信号进行操作。功率信号可以用于提供***或设备内的功率信号、逻辑信号和控制信号。另外，还可以使用定时信号或时钟信号来触发、操纵或者以其他方式控制***或设备的各种部件和电路。因此，这两种信号可以相应地一起使用。
很多时候，***或设备可能具有从***或设备外部提供的上述信号。也就是说，功率信号和/或时钟信号可来自***或设备外部的电路。例如，在监控架空电力线路时，用于监控的设备可以直接从电力线路本身获得电力。类似地，在具有多个集成电路(IC)芯片或者多个分立的印刷电路板(PCB)的设备中，单个时钟源可以为设备中的所有部件提供定时信号。此外，当这些信号来自IC、PCB或者特定的分立设备外部时，这些信号在这些部件内使用之前可能需要隔离。因此，功率信号和定时信号两者可能需要针对每种信号的隔离变压器，以提供经隔离的信号供片上使用。为这两组信号提供两个隔离变压器是笨重且低效的。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种电路，其包括：变压器，可操作用以产生接收自信号源的经隔离的信号；第一电路分支，耦合到所述变压器并且可操作用以将所述信号操纵为功率信号；以及第二电路分支，耦合到所述变压器并且可操作用以将所述信号操纵为 时钟信号。
根据本公开的另一方面，提供了一种三相计量***，其包括：至少三个电压传感器，可操作用以产生与相应的相中的电压成正比的信号；至少三个电流传感器，可操作用以产生与相应的相中的电流成正比的信号；以及至少三个测量电路，分别耦合到关联的相电压传感器和相电流传感器。每个测量电路包括：变压器，可操作用以产生接收自信号源的经隔离的信号；第一电路分支，耦合到所述变压器并且可操作用以将所述信号操纵为功率信号；以及第二电路分支，耦合到所述变压器并且可操作用以将所述信号操纵为时钟信号。
根据本公开的又一方面，提供了一种方法，其包括：在变压器的初级侧接收初始信号；在所述变压器的次级侧提取与所述初始信号成正比的功率信号；以及在所述变压器的次级侧提取与所述初始信号成正比的时钟信号。
根据本公开的又一方面，提供了一种用在集成电路中的方法，包括：通过一个变压器转换初始信号，所述初始信号具有第一电压和第一频率，并且被转换为具有第二电压且零频率的功率信号；以及通过所述变压器将所述初始信号转换为具有第三电压和第二频率的时钟信号。
附图说明
本文所公开的主题的实施方式将通过结合附图参考以下详细描述而变得更明晰且变得更好被理解。
图1为使用两个不同的隔离变压器向设备提供功率信号和定时信号的常规***的框图。
图2为根据本文所公开的主题的一个实施方式的、使用一个隔离变压器向设备提供功率信号和定时信号的***的框图。
图3为根据本文所公开的主题的一个实施方式的、每个设备使用一个隔离变压器向三相电力***的设备提供功率信号和定时信号的***的框图。
具体实施方式
以下讨论是为了使本领域技术人员能够做出和使用本文所公开的主题而提出的。本文所描述的一般原理可以在不背离当前具体实施方式的精神与范围的情况下应用于除以上详述的实施方式和应用之外的其他实施方式和应用。当前公开内容并非旨在限于示出的实施方式，而是应符合同本文所公开或建议的原理和特征相一致的尽可能广的范围。
在讨论各种实施方式的具体细节之前，介绍主题的一个实施方式的概述。电子电路可能经常使用上文所讨论的两种信号——功率信号和时钟信号。根据下文所讨论的各种实施方式，可以使用单个信号经由单个隔离变压器向电路提供功率信号和时钟信号二者。在一个实施方式中，一个集成电路可包括仅一个隔离变压器，其可操作用以在其次级侧产生经隔离的信号，该经隔离的信号与接收自信号源的初始信号成正比。在次级侧，两个分支随后可以提取功率信号和时钟信号两者，用于在被隔离的次级侧上的电路中使用。第一分支可耦合到变压器，并且可操作用以将信号操纵为功率信号，比如5V直流信号。类似地，第二电路分支可操作用以将信号操纵为时钟信号，比如具有1MHz频率的5V信号。通过在次级侧从同一隔离变压器提取功率信号和时钟信号两者，可以因为仅具有用于单个隔离变压器的单个绕组而在集成电路设备上节省宝贵的空间。所述实施方式的这些方面和其他方面将在下文中更为详细地讨论。
图1为使用两个不同的隔离变压器向设备提供功率信号和定时信号的常规***的框图。在这个***100中，时钟源110(可在IC、PCB或设备105外部)可以向第一隔离变压器111的初级侧提供初始时钟信号。隔离变压器随后将该信号转化为次级侧信号，该次级侧信号用于向IC 105(在下文中，提到IC 105应理解为表示IC、PCB或者其他部件/设备)提供时钟信号CLK。第一隔离变压器111的次级侧还耦合到地电位GND。
类似地，但是单独地，功率源120(同样可能是外部的)可以向第二隔离变压器121的初级侧提供功率信号。第二隔离变压器随后在其次级侧上转换功率信号，以向IC 105提供这样的功率信号Vcc。与之前一样，第二隔离变压器121的次级侧也可以耦合到地电位GND。
以这种方式，功率信号Vcc和时钟信号CLK两者都是在IC 105外部产生的，但是通过两个不同的隔离变压器110和120以经隔离的方式提供给IC。然而，用两个不同的隔离变压器110和120，需要更多的空间用于两个不同的变压器的绕组。空间在更小和更高效的设备中可能是极为珍贵的，并且对于不同的两组变压器绕组的需求是一种缺点。然而，如关于图2所述，如果可将时钟信号“背负(piggy-back)”于功率信号之上，那么可只需单个隔离变压器。
图2为根据本文所公开的主题的一个实施方式的、使用一个隔离变压器向设备提供功率信号和定时信号的电路200的框图。在这个实施方式中，功率/时钟源225可以提供具有特定频率和幅度的信号。合适的频率可以为1MHz并且合适的电压幅度可以为12V。由于公共电源可能不同(例如，北美标准是120V与60Hz)，可以根据用于改变信号的频率和电压幅度的常规解决方案来获得这样的12V、1MHz信号。在这一示例以及在下文中关于图3的示例中，原始信号可能为具有60Hz的初始频率和240V的公共电力线电源。在本文中不再进一步详细地讨论这样的对电压信号的常规操纵方式。
功率/时钟源225向单个隔离变压器230的初级侧提供信号。隔离变压器230随后在其次级绕组产生几乎相同的信号，因为隔离变压器在每一侧上具有相同数量的绕组。初始的12V、1MHz信号通过滤波电容器250，以滤掉任何低端(low-end)瞬变。在这一初始滤波之后，可以用两种方式之一操纵振荡(并且现在是经滤波的)信号，以向部件205传送时钟信号或者向部件205传送功率信号。
在功率信号操纵的情况中，电路包括齐纳二极管(zener diode)253，其连接于滤波电容器的输出端与地电位GND之间。齐纳二极 管253的大小被设定为使得将节点260处的信号的电压幅度钳位在5V。电路随后还包括整流二极管252，其对经钳位的信号进行整流，以向部件205的Vcc节点提供直流电源电压。该直流电源电压由滤波电容器255进行第二次滤波，以移除任何高频瞬变。因此，经滤波、整流和钳位的5V功率信号被传送到Vcc。
在时钟信号操纵的情况中，如上所述的齐纳二极管253将节点260处的信号钳位在5V。节点260通过阻抗251耦合到部件205的时钟输入端CLK。这一阻抗251的大小可被设定为使得在时钟信号进入时钟节点时进一步降低其电压。另外，没有任何整流，时钟信号的频率将与来自隔离变压器230的次级绕组的初始功率/时钟信号的频率相同。
这样的解决方案是有利的，因为可以从经过单个隔离变压器230的单个信号得到时钟信号CLK和功率信号Vcc两者。由于在单个变压器中的减少的绕组数量，所以仅具有单个隔离变压器230将减少在设备中或者在IC或PCB上所需的空间。当IC空间极为珍贵时，这样的绕组空间减少提供明显的优势。因此，电路200可以为下文关于图3所讨论的较大***的一部分。
图3为根据本文所公开的主题的一个实施方式的、每个设备使用一个隔离变压器向三相电力***的测量设备提供功率信号和时钟信号的***300的框图。这样的***300可以在三相配电***的环境中使用。例如，***300可包括一组电力线路，其具有四个导体：A相310a、B相310b、C相310c和中性(neutral)导体310n。很多时候，知晓这些导体中的每个导体在任何时间点上的电压和电流特性可能是有用的。因此，每个导体可以耦合到专用电流传感器320a-c和专用电压传感器321a-c二者。
于是在图3的***中，A相310a可以耦合到第一电压传感器321a和第一电流传感器320a。类似地，B相310b可以耦合到第二电压传感器321b和第二电流传感器320b，正如C相310c可以耦合到第三电压传感器321c和第三电流传感器320c那样。本领域技术人员应 该明白：这些传感器中的每个传感器可以包括用于产成与导体上的电压和电流成正比的信号的电路，因为直接处理如此大的电压和电流可能是危险的。因此，这些值被转换为更加适合在电路302a-c中使用的信号。
在这一***300的实施方式中，可以从单个源向几个设备和/或部件供电，该单个源可以是也可能不是该***中的相同电路和/或IC的一部分。在此，在图3的***300中示出了四个不同的电路。第一电路340可被用于向其他三个电路302a-c中的每个电路提供公共功率/时钟信号。这三个电路302a-c中的每个电路可以包括图2中所示的电路200。以这种方式，可以向每个电路302a-c提供单个的功率/时钟信号，使得每个电路只包括一个隔离变压器。另外，这些电路302a-c中的每个电路可以耦合到相应的电流传感器320a-c和相应的电压传感器321a-c，以接收来自三相电力***的实际导体310a-c的测量信号。
第一电路340可以耦合到用于初始产生功率信号的电压源。在一个实施方式中，该电源可以是所述电力线路中的电力线路之一；如图所示，电路340耦合到用于C相310c的电压传感器321c。在其他实施方式中，该初始电源可以是电池或者其他合适的电源。电路340于是可以操纵初始功率信号，以向其他三个电路302a-c提供合适的功率/时钟信号。另外，第一电路可以包括处理器390，其可操作用以基于从***中的其他电路回收的数据来执行计算。而另外，计算出的数据可以存储在存储器391中。
因此，功率/时钟信号初始被提供为具有1MHz频率的时钟信号，其将具有相对较低幅度。这个信号由阻抗331调节。所以，使用这个时钟信号来驱动对通过用于各相应电路302a-c的每个隔离变压器的初级侧的12伏电源电压进行开关的开关晶体管330，而不是将该时钟信号直接提供给三个电路302a-c。另外，滤波电容器滤掉低频瞬变。以这种方式，每个电路都被提供了具有12V电压和1MHz频率的功率/时钟信号。
这种用于产生功率/时钟信号的电路340可以是其他配置。可以使用任何能够产生具有特定电压幅度和频率的振荡信号的电路来产生该功率/时钟信号。此外，在每个隔离变压器的次级侧上可以使用任何类型的滤波布置来驱动IC电源电压。再另外，也可以使用任何类型的单独的滤波来恢复时钟信号，以供在IC上使用。
一种产生功率/时钟信号的特定替代技术，可以是具有来自各电路302a-c的次级侧的反馈信号的电路。这样的反馈信号将会通过相应的隔离变压器回发，但可在随后用于调制初始时钟信号的占空比。通过维持初始时钟信号的频率(例如，脉冲的前缘仍然以1MHz频率出现)，人们可以调制占空比，以调制传送的功率(例如，每个脉冲的长度可以改变)。
在图3的***的环境中，人们可以使用三个电路302a-c来测量每个相310a-c的电流和电压特性。这些电路302a-c中的每个电路可以包括IC(比如来自图2中的205)，所述IC可以包括增量调制器(Sigma Delta modulator)，所述增量调制器可以用于感测电源的特定相上的电流和电压。所以举例而言，在三相电源的情况中，人们可以使用从这些电路302a-c收集的信息来基于各相的读数计算整个用电量。如果人们还在此处耦合传感器(未示出)，那么还可以从中性导体310n收集额外的信息。
电路340和302a-c中的每个电路以及传感器320a-c和321a-c可以装在单个设备内，比如功率计内。备选地，传感器320a-c和321a-c可以装在分立的专用设备中，所述专用设备可以位于靠近导体310a-c处，使得只有小的测量信号被发送到容纳有***300的额外电路的分立设备。而另外，在图3的***中描述的所有电路可以居于单个IC之上。
在附图中示出并且在上文中详细描述了本文所讨论的主题的某些示例说明的实施方式，同时其易于做出改进和替代构造。然而，应当明白，我们并无意将权利要求限制在所公开的特定形式，而正相反，我们的意图是涵盖所有属于权利要求的精髓和范围内的改进、替代构造以及等效形式。

Claims (15)

1.一种三相计量***，包括：
至少三个电压传感器，可操作用以产生与相应的相中的电压成正比的信号；
至少三个电流传感器，可操作用以产生与相应的相中的电流成正比的信号；以及
至少三个测量电路，分别耦合到关联的相电压传感器和相电流传感器；每个测量电路包括：
变压器，可操作用以产生接收自信号源的经隔离的信号；
第一电路分支，耦合到所述变压器并且可操作用以将所述信号操纵为功率信号；以及
第二电路分支，耦合到所述变压器并且可操作用以将所述信号操纵为时钟信号。
2.根据权利要求1的计量***，还包括信号产生电路，所述信号产生电路可操作用以产生具有频率和电压的功率/时钟信号。
3.根据权利要求2的计量***，其中所述功率/时钟信号包括1MHz频率和12伏电压。
4.根据权利要求2的计量***，其中所述信号产生电路包括：
信号输入端，可操作用以接收具有第一频率、第一电压和第一电流的功率信号；
阻抗，耦合到所述输入端并且可操作用以将所述功率信号调节为具有第二电流；
开关，耦合到所述输入端并且可操作用以产生开关功率信号，所述开关功率信号的频率与所述功率信号的频率相等，并且所述开关由所述功率信号控制；
滤波器，耦合到所述开关并且可操作用以衰减低频瞬变；以及
输出节点，耦合到所述滤波器。
5.根据权利要求4的计量***，其中所述开关包括MOSFET晶体管。
6.根据权利要求4的计量***，其中所述滤波器包括电容器。
7.根据权利要求4的计量***，其中所述信号产生电路的所述输出节点耦合到各个相应的测量电路中的每个变压器的初级绕组。
8.根据权利要求1的计量***，还包括单个集成电路管芯。
9.根据权利要求1的计量***，还包括多个集成电路管芯。
10.根据权利要求1的计量***，还包括：
处理器，耦合到每个相应的测量电路并且可操作用以控制每个测量电路；以及
存储器，耦合到所述处理器并且可操作用以储存由每个相应的测量电路计算出的数据。
11.一种用于三相计量***的方法，所述三相计量***包括：
至少三个电压传感器，可操作用以产生与相应的相中的电压成正比的信号；
至少三个电流传感器，可操作用以产生与相应的相中的电流成正比的信号；以及
至少三个测量电路，分别耦合到关联的相电压传感器和相电流传感器，每个测量电路包括变压器；
所述方法包括：
在变压器的初级侧接收初始信号；
在所述变压器的次级侧提取与所述初始信号成正比的功率信号；以及
在所述变压器的次级侧提取与所述初始信号成正比的时钟信号。
12.根据权利要求11的方法，还包括：
将所述功率信号供应给设备；并且
将所述时钟信号供应给所述设备。
13.根据权利要求11的方法，其中提取所述功率信号还包括：
将所述变压器的次级侧上的电压信号钳位在预定的最大电压；
对所述经钳位的电压信号进行整流；以及
对所述经整流、钳位的电压信号进行滤波，以移除高频瞬变。
14.根据权利要求11的方法，还包括将所述初始信号与所述提取的功率信号隔离，并且将所述初始信号与所述提取的时钟信号隔离。
15.根据权利要求11的方法，其中提取所述功率信号还包括对所述功率信号进行滤波以移除低频瞬变。
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