采用智能電表讓企業和工程師有更多機會設計出符合不斷演進的全球標準的計量解決方案，這些解決方案能夠滿足未來需求，并將成為大眾解決方案的一部分，即低成本解決方案。然而，要設計出成功的計量解決方案，還需要克服許多難題。

很多時候，開發計量芯片的設計人員甚至沒有意識到計量解決方案所面對的挑戰和需求。在這種情況下，設計人員很容易出現設計問題，使產品因為小的設計缺陷而無法用于最終解決方案。

本文將介紹計量SoC設計中的一些主要問題，并提出一些能夠實現預期目標的解決方案。同時，本文還使SoC設計人員能夠提前了解挑戰，從而能夠從容應對并設計出有效的解決方案。

挑戰1：精確度

精確度是計量應用獲得成功的關鍵，因為服務提供商絕不會采用無法準確測量的儀表。精確度對于電表應用來說尤為重要，因為與天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測量電流和電壓的電平(因為片外ADC會增加最終解決方案的價格)。另一方面，燃氣流量計使用片外傳感器感應氣體流的速度。

這些傳感器能夠以一系列脈沖的形式提供數字輸出，這些輸出與流速成正比。由于這些傳感器一般都采用數字接口，因此整體精度對SoC的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。

另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個方面：輸電線如何與儀表相接(使用變壓器、傳感器、Rogowski線圈等)以及片上AFE(模擬前端)對電壓和電流的測量精度。

因此，對于燃氣/水流量表來說，精度在很大程度上取決于所連接的傳感器的精度。對于電表，精度取決于兩個因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個進行討論。

模擬前端(AFE)從客戶的角度來說，AFE的精度是最重要的因素。通常情況下，ADC的結果決定SoC的可擴展性。

模擬系統的精度主要取決于ADC的選擇。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是計量應用中最常用的，這兩種ADC都有其各自的優缺點。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過采樣技術對輸入進行采樣，并執行轉換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應用。

然而，它們可能不適合在非常嘈雜的環境中使用。因此，根據ADC的性能和用例環境，可以在ADC輸入端使用低通濾波器過濾噪聲。同時，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩定時間-穩定ADC以給出準確轉換值所需的時間。

因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應用，快速切換通道會導致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時鐘，從而縮短穩定時間。因此，這會提高解決方案的最終成本并增加功耗。

負載線接口能耗計算需要在電流和電壓值之間執行多次乘法和加法運算。確定輸入負載電壓很容易；然而，確定電流消耗的確有些困難。

家庭/工業/建筑物消耗的總電流不能饋送到芯片。然而，可以確定一個比例值(電流或電壓)并饋送到AFE，然后使用ADC進行測量。

電流和電壓測量的比例因子是不變的，因此可以進行適當的計算。這種“電流測量”過程的一個限制是需要有能夠直接測量電流的低成本ADC。

另一種選擇是使用已知的負載電阻將該電流轉換成相應的電壓，然后通過ADC測量該電壓，它對應于實際的電流消耗。這為電流測量提供了更可行的低成本解決方案，并且有各種技術可用于電流測量。一些使用最廣泛的技術包括-分流電阻器、Rogowski線圈、電流互感器。

分流電阻器技術使用放置在負載電流線路上的小(分流)電阻器。當負載電流通過該電阻時，會形成一個小的電壓降。這個電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測量相應的電流消耗。

電流互感器(CT)方法與普通變壓器的工作方式相同，負載電流(已消耗電流)磁通在二級CT線圈中生成少量電流，然后將電流通過負載電阻器，將其轉換成相應的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。

Rogowski線圈是另一種測量電流的方法(見圖1)。這類線圈對于變化較大的電流也有不錯的測量效果。然而，它們以時間差分形式提供輸出。這就是需要一個積分器獲得相應電流值的原因。

圖1 Rogowski線圈結構。

對比上述三種方式，分流電阻器技術是最便宜的；然而，該技術很難滿足高電流測量要求，并且存在DC偏移的問題。電流互感器(CT)能夠比分流電阻器技術測量更多的電流，然而，它們本身也存在問題：它們的成本更高，存在飽和、滯后和DC/高電流飽和等問題。

第三種Rogowski線圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現出較好的線性特性，也不存在飽和、滯后或DC/高電流飽和問題。