HOCT高压侧低功耗设计

原创于 2025-10-21 07:37:28 发布 · 994 阅读

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#HOCT #低功耗 #MSP430

电流传感器高压侧低功耗设计

摘要

传统电流互感器（CT）在发展过程中暴露出越来越多的问题，新型混合式电流互感器（HOCT）具有明显优势，但仍需关注的核心问题之一是高压侧处理系统电源问题。高端处理系统功耗越大，供电环节越复杂，成本也越高；降低高压端处理系统的功耗可有效解决该问题。本文介绍了高压端处理系统的低功耗设计，给出了主要措施，并重点介绍了程序设计。经数据结果验证，本文的设计可使高压端处理系统大幅降低功耗。

关键词 ：HOCT；低功耗；MSP430

1. 引言

随着电力系统的快速发展，传统电流互感器逐渐暴露出许多缺陷，如磁饱和、铁磁共振和涡流效应等。新型光电电流互感器（HOCT）伴随着电子和光学技术的发展，具有响应时间短、测量范围宽、绝缘性能好、成本低等优点，并且由于高低压侧采用光纤连接，实现了完全的电气隔离，不存在二次开路问题[1‐4]。图1是 HOCT的原理示意图，分为高压端、光纤、低压端和供电部分。在高压端部分，罗氏线圈将被测电流的电磁场转换为电压变化，并传输至高压端处理系统，处理后的信号通过光纤转化为光信号传送到低压端处理系统，最终实现继电保护和电能计量应用。高压端处理系统依赖于激光供电系统，低压侧的激光器将高功率激光通过光纤传输至高压端的光伏系统，经光电转换后为高压端处理系统提供电源。

示意图0

目前在高端供电方式中，激光供电是一种相对稳定的方式，但由于成本和技术难度，所能提供的电功率有限[5‐8], ，因此降低高压端处理系统的功耗非常重要。

本文中，高压侧处理系统如图2所示。罗氏线圈为微分工作方式，因此输出电压与被测电流存在90°相位差，需经过积分后才能校正相位。MSP430单片机负责控制MAX1246芯片模块的转换过程。模数转换后，单片机通过串行异步通信方式将数字信号传输出去，该串行异步通信方式可显著降低系统的功耗，此外，图中逆变器的功能具有可塑性。

示意图1

2. 硬件设计方案

2.1. MAX1246

MAX1246（如图）是一种新型的4通道，12位逐次比较型A/D转换器。其特点是低功耗，采样率为133 KSPS，功耗仅为3.6 mW。

示意图2

输入电压范围为 ‐VREF / 2~+ VREF / 2，转换为二进制 000h ~FFFH。相应地，控制字应为 96h。MAX1246 的工作过程可分为三个部分：(1) 传送控制字；(2) 转换；(3) 数据。当采样率为133 KSPS时，功耗仅为3.6 mW。

(1) 控制字
启动信号从高电平变为低电平时开始传输控制字96h。具体过程为：在第一个时钟脉冲的上升沿，通过DIN引脚将启动信号输入至移位寄存器，随后在每个时钟脉冲的上升沿依次将控制字96h的其余位移入MAX1246的移位寄存器中。当全部传输完成后，此时SSTRB应为低电平，以启动模数转换过程。

(2) 模数转换
控制字进入模数转换后，经过7.5个周期（包括s），模数转换完成，SSTRB电平变为高电平，向处理器信号表示转换结束。在转换过程中，为避免出错，应选择信号置为高电平。

(3) 输出数据
在所选信号变为低电平后，在时钟信号作用下输出转换结果。具体过程为：第一个时钟信号上升沿将“0”输入DIN，转换结果在第一个下降沿位于DOUT输出；之后每个时钟信号上升沿将“0”输入DIN，下降沿从DOUT再次输出数据位。“0”移入DIN是为了防止工作模式改变最终导致错误。最后，去除其余四个无效的“0”，构成16位ADC结果。

D11	D10	D9	D8	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	0	0	0	0
data	data	data	data	data	data	data	data	data	data	data	data	无效的“0”	无效的“0”	无效的“0”	无效的“0”

表1. 转换结果格式

2.2 选择微控制器的工作方式

美国TI公司生产的MSP430单片机（如图4所示），是一款功能强大的超低功耗16位微处理器。其特点是低功耗[9]。此外，其强大的处理能力足以胜任高压侧板的全部功能。

(1) 选择晶体
为了满足实时数据采集和发送，需要选择晶振固有频率为3.59兆赫兹。

(2) 主时钟频率的选择
主时钟频率即CPU时钟频率，频率越高，系统功耗越大。但为了提高处理速度，主时钟直接采用晶体振荡输入频率。

(3) 辅助时钟频率的选择
辅助Timer_A时钟频率信号。本文中Timer_A的功能包括两个：一是提供中断信号，二是生成发送波特率。当MSP430单片机处于低功耗模式时，向Timer_ A传输频率，使CCR0定时启动MSP430中断；当数据采集完成后，给出Timer_A传输频率信号，使CCR1在传输数据时产生波特率，该过程无需使用高频信号。因此，选择辅助时钟频率为晶振频率的二分频，既可满足需求，又能降低微控制器的功耗。

(4) 选择数据波特率
主要考虑稳定性和实时性。波特率过快会导致数据稳定性不足；过慢则会影响实时性，无法实现实时采样。

(5) 选择数据传输方式
数据通信可分为并行通信和串行通信方式。并行通信是通过多条传输线同时传输一个数据的所有位，其特点是传输过程非常快，主要适用于短距离通信和传输；串行通信是通过同一根传输线，将数据按顺序逐位传输，主要特点是布线简单，通常利用电话或电报线路即可完成通信过程，成本较低。串行通信适用于远距离通信，但缺点是传输速度较慢。串行通信还可分为同步通信方式和异步通信方式两种。其中，异步通信以单个字符作为传输单元，在通信过程中，两个字符之间的间隔不固定，但同一字符内相邻位之间的间隔是固定的。通常在通信距离较远时多采用异步通信方式，本文采用串行异步通信方式来完成数据传输，这种方式可显著降低高压侧处理系统工作的功耗。

2.3 系统的工作过程

使用的微控制器外设模块主要有看门狗定时器（WDT）和Timer_A。其中，Timer_A主要用于控制采样率并生成发送数据波特率，采样率的控制通过CCR0模块实现，CCR0定时唤醒，在低功耗模式下CPU唤醒周期即为采样周期。此外，看门狗定时器可防止程序进入无限循环情况。

(1) 采集数据
系统初始化过程完成后，命令MAX1246开始数据采样。第一步，降低所选信号电平，使MAX1246开始工作。第二步，向SCLK传输脉冲信号，并在每个脉冲信号的上升沿将控制字移入MAX1246的控制字寄存器；控制字传输完成后，等待模拟‐数字转换完成。此时持续判断当前SSTRB电平是否为高，若为高电平，则开始读取完整的转换结果。注意在读取数据过程中，需保持片选信号为低电平，同时发送连续的SCLK脉冲信号，并在脉冲信号的上升沿向DIN提供零信号，在下降沿获取转换结果数据。读取结果时，先读取高位，再依次读取后续各位。当第16个脉冲信号结束时，读取转换结果的工作也随之结束。

(2) 发送数据
发送过程采用先高后低八位八位的方式，通过比较CCR1捕获，功能得以实现。在串行异步方式下，该方式仅需一根光纤，不需要时钟信号，可大幅降低处理系统的功耗。具体的传输过程是：CCR1首先设定固定的波特率信号，每次中断后，再将数据进行移位组合，以控制CCR1下一次跳变的中断。CCR1的每一次跳变对应一位数据的传输，且传输过程从低位开始。每次发送前都有起始位，发送结束后有停止位，并随机空闲，以降低能耗。MSP430单片机在完成采集和发送数据后，将进入低功耗模式休眠，直到CCR0将其再次唤醒。