다상 전력량 계량기에서 비싼 전류 트랜스포머를 대체한 칩셋
Note to Editor:
- DS8102/MAXQ3108 칩셋은 전류 트랜스포머를 션트로 대체하여 다상 전기 계량기의 시스템 비용과 보드 공간을 줄여준다.
- DS8102에는 최대 32x 이득을 갖는 프로그래밍 가능한 2개의 델타-시그마 변조기가 내장되어 있다. 2개의 변조기에서 발생하는 출력은 단일 비트 스트림으로 인코딩되어 데이터 커플링 비용을 최소화한다.
- MAXQ3108은 함께 제공되는 DS8102 소자용 맨체스터 디코딩 블록 3개와 큐빅 싱크(cubic-sinc) 필터 3개가 내장된 듀얼 코어 RISC 컨트롤러이다.
- Maxim은 다상, 다기능 전력량 계량 DSP 및 완벽한 기준 설계 구현을 제공한다.
- 이 칩셋은 다상 전기 계량기에 이상적이다.
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SUNNYVALE, CA—2009년 3월 16일—Maxim Integrated Products (NASDAQ: MXIM) (맥심인터그레이티드프로덕트)는 다상 전력량 계량기의 BOM 비용을 절감하는 새로운 칩셋 MAXQ3108과 DS8102를 출시했다. MAXQ3108과 DS8102는 함께 고가의 전류 트랜스포머 3개를 저가의 션트 3개로 대체하여 비용과 공간을 모두 줄여준다.
DS8102에는 최대 32x까지 프로그래밍 가능한 이득을 갖는 2개의 고정밀 2차 델타-시그마 변조기가 내장되어 있다. 변조기의 출력은 단일 비트 스트림으로 인코딩되어 분리와 데이터 커플링 비용을 최소화한다. 데이터 프로세싱은 듀얼 코어 마이크로컨트롤러인 MAXQ3108에서 수행된다. 이 마이크로컨트롤러는 3개의 DS8102 출력 비트 스트림을 받아들인 다음 데이터를 디코딩하고 데시메이트(decimate)하여 넓은 동적 범위에서 raw ADC 샘플을 생성한다. ADC 샘플은 MAXQ3108에 내장된 디지털 신호 프로세서에 제공되어 다기능 전기 계량기에 필요한 전력, 전력량, 역률, RMS 전압과 전류 파라미터가 계산된다.
따라서 MAXQ3108/DS8102 칩셋은 전체 시스템 비용을 줄여주고 다상 전기 계량기에 높은 성능과 유연성을 제공한다. MAXQ3108의 DSP는 프로그래밍 가능하므로 물리적 신호와 데이터 수집 계측 간의 분리가 요구되는 다양한 산업 데이터 수집 애플리케이션에 적합한 칩셋이다. 또한 간편한 설계를 위해 기준 설계도 이용 가능하다.
전기 계량 과제: 높은 정확도와 저렴한 가격
전기 계량 업계의 요구사항은 빠르게 발전하고 있으며 이는 계량기 설계자와 전기 측정 회로 공급업체에게 모두 도전적인 과제가 되고 있다. 전력 공급회사와 에너지 소비자는 넓은 범위의 부하에 걸쳐 정확한 계량을 원하고 있다. 방대한 양의 전력을 지속적으로 측정하는 과정에서 부정확하게 모니터링되는 작은 전력도 전력 회사나 소비자들에게 적지 않은 비용 손실을 의미한다.
현재 일반적인 클래스 1 계량기 설계는 1000:1 범위 이상에서 전류를 측정해야 한다. 이것은 전기 계량기가 측정되는 양의 1% 미만의 오차로 전력/전력량을 측정해야 한다는 것을 의미한다. 반면에 양 자체는 1000 ~ 1의 계수로 변동한다. 산업용으로 이보다 더 넓은 범위가 나오고 있으며 현재 2000:1 또는 5000:1까지 논의되고 있다. 또한 일반적으로 계량 IC의 오차 예산은 전체 계량기 오차 예산보다 훨씬 더 작다. 예를 들어 클래스 1 계량기에서 계량 IC의 일반 오차 예산은 0.3%미만이다.
전력 시스템에서 AC 전압 전원은 10% 이상 거의 변동하지 않으므로 정밀한 전력 측정을 달성하는 핵심은 AC 전류를 정확히 측정하는 데 있다. 높은 정밀도의 전류 신호 데이터를 얻기 위한 핵심적인 3가지 요소로 ADC, 전류 센서, 계랑기 PCB가 있다. ADC와 전류 센서는 모두 전체 타겟 동적 범위에 걸쳐 정확해야 한다. 전류 센서에 대한 추가적인 요구가 존재하며 선형성은 가장 중요한 규격이다. 저항 션트는 저렴한 가격과 뛰어난 선형성으로 단상 계량기에 많이 이용되고 있다. 그러나 다상 계량기의 경우 전통적으로 두 종류의 전류 센서인 전류 트랜스포머와 Rogowski 코일(di/dt 센서)이 있다. 3위상 간에 존재하는 전압 차로 인해 전압과 전류 신호는 데이터 수집 장치(계량 IC)로부터 분리되어야만 한다. 전류 트랜스포머와 di/dt 센서가 이러한 필요한 분리를 제공하고 자기장을 통해 아날로그 신호를 데이터 수집 장치에 커플링한다. 그러나 이러한 정밀한 아날로그 신호 커플링은 값이 비싸며 신호의 동적 범위와 고선형성 요구사항에 따라 비용은 크게 증가한다.
마지막으로 2000:1 이상 동적 범위의 경우 업계는 보다 저렴한 솔루션을 찾고 있다.
비용을 절감하고 유연성을 추가한 다상 전력량 계량기용 칩셋
DS8102 변조기와 인코더, MAXQ3108 마이크로컨트롤러는 오늘날의 다상 전력량 계량기를 위한 분리와 데이터 커플링 과제에 고유한 솔루션을 제공한다. 3상 계랑기는 3개의 DS8102와 1개의 MAXQ3108을 사용한다. 각 DS8102는 측정하는 해당 위상에서 부동 상태로 있다. DS8102는 전압 및 전류 입력을 고주파 디지털 비트 스트림으로 변환하며, 변환된 비트 스트림은 저가 커패시터를 통해 MAXQ3108로 커플링된다. MAXQ3108은 3개의 DS8102로부터 DC 분리되지만 이들과 AC 커플링되므로 각 DS8102로부터 디지털 데이터 비트 스트림을 받아들일 수 있다. 각 DS8102는 다른 위상과 MAXQ3108로부터 분리되므로 각각의 위상은 해당 전류 감지를 위해 션트 저항을 사용할 수 있다. 따라서 비싼 전류 트랜스포머가 불필요하며 BOM 비용을 크게 줄여준다.
이 솔루션의 또 다른 장점은 데이터 커플링이 디지털 방식이기 때문에 아날로그 입력 범위에서 정확도 손실이 발생하지 않는다.
MAXQ3108 주요 규격
듀얼 코어 MAXQ3108에는 2개의 16비트 RISC 프로세서가 탑재되어 있다. 사용자 코어는 다음과 같은 리소스를 갖는다.
- 64KB 플래시 프로그램 메모리
- 2kB 데이터 SRAM
- 16바이트 배터리 지원 (VBAT) 데이터 SRAM
- 디지털로 트리밍 가능한 실시간 클록
- SPI™, I²C, 듀얼 USART 포트
- 하드웨어 멀티플라이어, 맨체스터 디코더 3개, cubic-sinc 필터 3개
- 32kHz 입력을 갖는 10MHz FLL
DSP 코어 구성
- 8KB 사용자 로드 가능한 SRAM 코드 메모리
- 1kB 데이터 SRAM
- 하드웨어 멀티플라이어
DSP 프로세서를 디스에이블하면 DSP 코드 메모리를 데이터 메모리로 구성하여 사용자 코어에서 액세스할 수 있다. 이러한 구성에서 사용자 코어는 10KB 데이터 메모리에 대한 액세스를 갖는다. 데시메이터(decimator)로부터 ADC 샘플을 생성하여 DSP 코어 또는 사용자 코어에서 사용할 수 있다.
DS8102 주요 규격
- 2차 델타-시그마 변조기 2개
- 최대 32x 프로그래밍 가능 이득
- 맨체스터 인코더
- 8MHz 발진기 내장
- 내부 기준전압
MAXQ3108은 28핀 TSSOP 패키지로, DS8102는 16핀 TSSOP 패키지로 제공된다. 두 소자는 모두 -40°C ~ +85°C 온도 범위에서 동작한다.
Maxim Integrated Products는 고성능 반도체 제품을 설계, 생산하는 상장 회사로 2008회계년도 매출액으로 20억 달러 이상을 기록했다. Maxim은 창립 이래 25년이 넘도록 고객의 제품에 부가 가치를 창출하는 혁신적인 아날로그 및 혼합 신호 엔지니어링 솔루션을 공급하는 것을 기업의 사명으로 추구하고 있다. 현재 Maxim은 산업, 통신, 가전 및 컴퓨팅 시장을 대상으로 5900개 이상의 제품을 개발하고 있다. 보다 자세한 내용은 korea.maxim-ic.com에서 확인할 수 있다.
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