单相有功功率计量芯片CS7005B


单相有功功率计量芯片 CS7005B


图 表 1 2 3 4



5

6

7

8 9 10 11

12

13 14 15 16 17

形 ................................................................................................................................................ 3 格 ................................................................................................................................................ 3 主要特点 .................................................................................................................................. 4 功能概述 .................................................................................................................................. 4 原理框图 .................................................................................................................................. 5 管脚定义及功能描述 .............................................................................................................. 5 4.1 管脚排列 .................................................................................................................. 5 4.2 管脚定义及功能描述............................................................................................... 6 性能指标与实测结果 .............................................................................................................. 6 5.1 CS7005B 性能指标 .................................................................................................. 6 5.2 CS7005B 实际测试结果 .......................................................................................... 7 5.2.1 测量准确度....................................................................................................... 7 5.2.2 参考电压温度特性......................................................................................... 10 芯片工作原理 ........................................................................................................................ 11 6.1 信号流 .................................................................................................................... 11 6.2 功率因子影响......................................................................................................... 12 6.3 非正弦电压电流输入............................................................................................. 12 模拟输入 ................................................................................................................................ 13 7.1 电流通道 ................................................................................................................ 13 7.1.1 电压输入范围................................................................................................. 13 7.1.2 电流传感信号接入方法................................................................................. 13 7.2 电压通道 ................................................................................................................ 14 7.2.1 信号输入范围................................................................................................. 15 7.2.2 信号接入方法................................................................................................. 15 电源电压的检测 .................................................................................................................... 15 高通滤波与失调电压影响 .................................................................................................... 16 功率到频率转换 .................................................................................................................... 17 输出频率与输入信号的关系 ................................................................................................ 17 11.1 FO1、FO2 输出频率与输入信号的关系.............................................................. 17 11.2 CFO 输出频率与 FO1、FO2 输出频率的关系.................................................... 18 电表应用时的参数设置 ........................................................................................................ 18 12.1 锰铜采样电阻的选择............................................................................................. 18 12.2 输出频率与量程的关系......................................................................................... 19 12.3 SF0,SF1,SCF 的设置........................................................................................ 19 12.3.1 SF0,SF1 的设置........................................................................................... 19 12.3.2 SCF 的设置 .................................................................................................... 20 FO1,FO2,CFO 输出时序................................................................................................ 20 启动阈值电流 ........................................................................................................................ 22 极限工作条件 ........................................................................................................................ 22 CS7005B 封装........................................................................................................................ 22 附录 1:电表设计时的参数设置 ......................................................................................... 23
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17.1 第 1 步:首先计算电流通道最大输入电压 VP1p............................................... 23 17.2 第 2 步:计算最大输出频率................................................................................. 24 17.3 第 3 步:计算电压通道的输入电压..................................................................... 24 18 附录 2:CS7005B 应用电路................................................................................................. 26

图 形
图 1. CS7005B 功能框图 .........................................................................................................................5 图 2. CS7005B 管脚图 .............................................................................................................................5 图 3. CS7005B 精度测试电路 .................................................................................................................8 图 4. CS7005B 在增益为 1 时测量精度 .................................................................................................8 图 5. CS7005B 测量精度(PGA=16).................................................................................................9 图 6. CS7005B 变频测试结果 1(G=16,PF=1) ............................................................................9 图 7. CS7005B 变频测试结果 2(G=16,PF=0.8C) ....................................................................10 图 8. CS7005B 变频测试结果 3(G=16,PF=0.5L).....................................................................10 图 9. CS7005B 基准电压随温度变化图 ............................................................................................... 11 图 10. 图 11. 图 12. 图 13. 图 14. 图 15. 图 16. 图 17. 图 18. 图 19. 图 20. 图 21. CS7005B 信号流程...............................................................................................................12 电流通道接入方法一(电阻采样).........................................................................................14 电流通道接入方法二(电流互感 CT) .............................................................................14 电压通道接入方法一(电阻分压)....................................................................................15 电压通道接入方法二 ...........................................................................................................15 电源电压检测信号波形 .......................................................................................................16 通道失调对有功功率计算的影响图....................................................................................16 CS7005B 数字-频率转换框图...........................................................................................17 FO1,FO2,CFO 输出时序图 ...........................................................................................21 CS7005B 封装轮廓图...........................................................................................................23 CS7005B 应用电路图...........................................................................................................26 校正电阻网络 .......................................................................................................................26

表 格
表 1:CS7005B 管脚描述 ......................................................................................................................6 表 2:CS7005B 性能指标(环境温度 25oC,DVDD/AVDD=5.0V) ..............................................6 表 3:电流通道的最大输入范围与 PGA 增益的关系.......................................................................13 表 4:Fb 与 SF0、SF1 管脚电平的关系 .............................................................................................18 表 5:CFO 输出频率与 FO1、FO2 输出频率的关系.......................................................................18 表 6:锰铜电阻(Rs)的参考取值(PGA 增益设为 16 倍)..........................................................19 表 7:FO1,FO2 输出频率与输入电流关系表 .................................................................................19 表 8:FO1/FO2 最大频率表 ................................................................................................................20 表 9:CS7005B 时序参数表 ................................................................................................................21 表 10 CS7005B 极限工作条件.......................................................................................................22

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CS7005B 用户手册 1


主要特点
精度高,满足 50 / 60Hz IEC687 / 1036 标准的准确度要求,在 1000:1 的动态范围内, 误差小于 0.1%;  数字脉冲输出,平均有功功率直接以数字脉冲输出,能直接驱动步进电机,实时有功功 率以数字脉冲形式输出,方便仪表校验;  多增益选择,电流通道具有 1/2/8/16 四种增益选择,以便灵活选用不同大小的采样电 阻;  低阈值启动,启动电流小于 0.4% Ib;  片内集成防潜动功能;  负功率或错线指示;  宽模拟信号输入范围,可以输入峰峰值! 1V 模拟信号;  片内集成电源电压检测功能,当电源电压降低到 4V 时,芯片复位,停止工作;  片内集成高精度、高稳定 2.5V 基准电压源,绝对偏差小于!5%,温度系数小于!25ppm/ ? ;   低功耗,5V 单电源工作,工作时功耗小于 30mW;  宽工作温度范围,满足工业标准-40~85? ;   SSOP-24 封装 

2

功能概述

CS7005B 是用于电能计量的高精度、高性能集成电路,它将平均有功功率以频率的形式 直接输出,并且可以直接驱动步进电机。  平均有功功率由电流、电压乘积后经低通滤波得到,再经电压-频率转换,以频率的形 式从 FO1、FO2 管脚输出,同时实时有功功率从 DCFO 管脚输出高频信号,用于仪表校验。  CS7005B 采用高精度 ADC 和 DSP 相结合的技术,片内集成高稳定的基准电压,对温度、 纹波等外界干扰的敏感度很低,在很恶劣的外界条件下也能维持高的计量准确度及稳定性。   CS7005B 片内设计有抗混叠滤波器,最大程度地减小了片外滤波器的要求,使得片外一 阶 R-C 滤波器的-3dB 转折频率可以扩展到 100KHz,这样不仅减小了滤波器中电阻、电容 值,同时也大大减小了电阻、电容的精度要求。  电流通道的可编程放大器(PGA)可提供 1/2/8/16 倍 4 种不同的增益,适合于不同的采 样电阻的应用场合,方便选择较小电阻的应用。  CS7005B 电流、电压通道电路一致,本身引起相位误差忽略不计。  片内有电源电压检测电路,当电源电压降低到 4V 时,芯片自动复位,检测电路的检测 阈值设计有约 0.5V 的滞回电压区间,避免了电源电压上的起伏噪声而引起的误复位。 

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CS7005B 采用,5V CMOS 工艺设计,24-PIN,SSOP 封装,有效降低成本、面积。 

3

原理框图
DVDD DVSS AVDD AVSS

DG1

DG0

RSTN

NPI VP1 VN1
VREF

Level Shfit Bandgap Level Shfit

1/2/8/16

PGA

Σ ADC

Digital Filter

POR HPF X D-F

CFO FO1

LPF

FO2 SCF

VP2 VN2

X1

Σ ADC

Digital Filter

HPF

Clocking

SF1 SF0

CS7005
XTAL MCLK HPS

图1.  CS7005B 功能框图

4
4.1

管脚定义及功能描述
管脚排列

DVDD HPS AVDD N.C. VP1 VN1 VN2 VP2 RSTN VREF AVSS SCF

FO1 FO2 CFO DVSS NPI

CS7005
SSOP-24

N.C. XTAL MCLK DG0 DG1 SF0 SF1

  图2.  CS7005B 管脚图

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单相有功功率计量芯片 CS7005B 4.2 管脚定义及功能描述
表 1:CS7005B 管脚描述
序号  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  符号  DVDD  HPS  AVDD  NC  VP1  VN1  VN2  VP2  RSTN  VREF  AVSS  SCF  SFO1  SF0  DG1  类型  数字电源  数字输入  模拟电源  -  模拟输入  模拟输入  模拟输入  模拟输入  复位输入  基准电压  模拟地  数字输入  数字输入  数字输入  数字输入  +5V 数字电源  片内高通滤波器的使能信号,高电平有效  +5V 模拟电源  悬空  电流通道模拟信号输入,最大输入电压范围!1Vp-p,VP1 与 VN1 构成差分信号  电压通道模拟信号输入,最大输入电压范围!1Vpp,VP2 与 VN2 构成差分信号  复位信号,低电平复位芯片  2.5V 基准电压输出/入, 该管脚需要接至少 1uF 的电容到 AVSS, 当用外部参考电压源时,直接从该管脚输入.  模拟地  CFO 校正频率选择  SF0、SFO1 一起控制 FO1,FO2 的输出频率,以适合于不同的参比 电流 Ib,具体控制方法,参考后文内容  DG1、DG0 一起控制电流通道编程增益放大器(PGA)的增益。  DG1  0  16  DG0  数字输入  0  1  DG0  0  1  0  PGA 增益  1  2  8  功能描述 

17  18  19 

MCLK  XTAL  N.C. 

时钟输入  时钟输出  - 

1  1  16    外部晶体并联在 MCLK 与 XTAL 之间构成本地振荡器为芯片提供时 钟,时钟频率为 3.79545MH z,晶体的电容负载为 22 ̄33pF;当 使用外接时钟时,直接从该管脚输入  该管脚悬空  负功率显示,当检测到负功率时,该管脚输出为高电平,REVP

20 

NPI 

数字输出 

与 DCFO 的上升沿同步,无锁存,当再次检测到正功率时,REVP 恢复到低电平。 

21  22  23  24 

DVSS  CFO  FO2  FO1 

数字地  数字输出  数字输出  数字输出 

数字地  校正频率输出, 该输出包含有瞬时有功功率的信息, DCFO 与 FO1, FO2 的频率关系,参考后文  平均有功功率的频率形式输出,可直接驱动两相步进电机  平均有功功率的频率形式输出,可直接驱动两相步进电机 

5
5.1

性能指标与实测结果
CS7005B 性能指标
表 2:CS7005B 性能指标(环境温度 25oC,DVDD/AVDD=5.0V)
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参数名 符号 最小 典型 最大 单位 测试条件

精度指标
电流通道 PGA 增益分别为 1,2,8, 测量误差        0.1  %  16,电压通道输入为交流±500mV, 电流通道 PGA 输出信号为 1mV~ 1V(1000:1 动态范围)  电流通道 PGA 增益为 1/2/8/16, 频 通道间相位误差  P  -0.005    0.005  度  率为 100Hz  通道间相位匹配误差与电流电压 信号的相位无关  直流增益误差  电源电压抑制比  GDC  PSRR+  -2  60      2    %  dB  不考虑参考电压的误差   

模拟输入端口指标 
最大输入范围  直流输入电阻  片内参考电压源 误差  参考电压输出电 阻  输入主时钟频率  VImax  RIDC  VREF  ROref  -1.0  1000  -100        +1.0    +100  V  K?   mV  VP1,VN1,VP2,VN2 管脚输入电压 范围     

2.0 

  3.5795 45 

 

K?  

 

FMCLK 

 

 

MHz 

可使用本地晶体,也可外接时钟 

数字端口接口电平 
输入高电平电压  输入低电平电压  输出高电平电压  输出低电平电压  输出驱动电流 1  输出驱动电流 2  VIH  VIL  VOH  VOL  IO1  IO2  2.4    4.0    10  5                0.8    0.5      V  V  V  V  mA  mA  FO1、FO2 管脚  CFO、REVP 管脚   

电源与功耗指标 
模拟电源电压  数字电源电压  模拟电路功耗  数字电路功耗  AVDD  DVDD  PA  PD  4.75  4.75      5.00  5.00      5.25  5.25  15  15  V  V  mW  mW         

5.2
5.2.1

CS7005B 实际测试结果
测量准确度
测试电路 

5.2.1.1

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图3.  CS7005B 精度测试电路
5.2.1.2 增益变化测试结果 

CS7005B在增益为1时测量精度 0.1 误差(%) 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 0 5 10 15 电流(A) PF=0.8L 20 25 30

PF=1

PF=0.5C

图4.  CS7005B 在增益为 1 时测量精度

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CS7005B测量精度(PGA=16) 0.000 误差(%) -0.100 -0.200 -0.300 -0.400 0 5 10 15 电流(A) PF=0.5L 20 25 30

PF=1.0

PF=0.8C

图5.  CS7005B 测量精度(PGA=16)
5.2.1.3 频率变化测试结果 

CS7005B变频测试结果1(G=16,PF=1) 0.200 误差(%) 0.000 -0.200 -0.400 -0.600 -0.800 0.1 1 电流(A) 50Hz 52.5Hz 47.5Hz 10 100

图6.  CS7005B 变频测试结果 1(G=16,PF=1)

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CS7005B变频测试结果2(G=16,PF=0.8C) 0.000 误差(%) -0.200 -0.400 -0.600 -0.800 0.1 1 电流(A) 50Hz 52.5Hz 47.5Hz 10 100

图7.  CS7005B 变频测试结果 2(G=16,PF=0.8C)

CS7005B变频测试结果3(G=16,PF=0.5L) 0.100 0.000 -0.100 -0.200 -0.300 -0.400 -0.500 0.1 1 电流(A) 50Hz 52.5Hz 47.5Hz 10 100

误差(%)

图8.  CS7005B 变频测试结果 3(G=16,PF=0.5L)
5.2.1.4 潜动测试 

根据 IEC1036 标准的规定,电表的启动电流必须不大于 0.4%Ib。根据不同的参比电流, CS7005B 的启动电流测试结果:  1) 当 Ib≤10A 时,启动电流 Istart≤8mA, (假定线电压为 220V)  2) 当 Ib≤20A 时,启动电流 Istart≤16mA, (假定线电压为 220V)  5.2.2 参考电压温度特性

在-45℃~85℃范围内,CS7005B 的温度系数小于 30ppm/℃。结果如下图:

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CS7005基准电压温度特性

CS7005(典型)

2.558

电压值(V)

2.557 2.556 2.555 2.554 -40

温度(度)
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

图9.  CS7005B 基准电压随温度变化图

6
6.1

芯片工作原理
信号流

CS7005B 将电压通道、电流通道的信号经过Σ ADC 转换并经过高通滤波,然后相乘,相 乘的信号再经过低通滤波、数字到频率转换后,通过 CFO、FO1、FO2 管脚输出数字脉冲,其 信号流框图如下图所示。  设 I (t ) = I × cos(ω t ) , V (t ) = U × cos(ω t )  ,则功率为: 

1 P(t ) = I (t ) V (t ) = × I × U × (1 + cos(2 ω t ))   2
该 P(t)经过低通滤波后,即为有功功率,然后再经数字-频率转换后直接输出。 

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图10.  CS7005B 信号流程

6.2

功率因子影响

以上是基于电压、电流同步时的计算,单电压、电流有相位差时,同样有效。假设相差 60 度,即 I (t ) = I × cos(ω t ) , V (t ) = U × cos(ω t + π ) ,则功率 

3

1 1 P (t ) = I (t ) V (t ) = × I × U × ( + cos( 2 ω t ))   2 2
该功率信号经过低通滤波后,同样得到正确的有功功率值 Pactive =

1 1 × I ×U ×   2 2

6.3

非正弦电压电流输入

本芯片的有功功率计算,同样适合非正弦输入的有功功率计算,根据傅立叶分解,设定电 压为:  

V (t ) = V0+∑ VN × sin( N ω t + α N )  
N≠0



其中: 

V(t ) ——为瞬时电压值 

V0 ——电压的直流分量 
VN——为 N 次电压谐波幅度  αN——为 N 次电压谐波的相位  电流为: 

I (t ) = I 0+∑ I N × sin( N ω t + β N )  
N ≠0



其中:其中: 

I(t ) ——为瞬时电流值 

I 0 ——电流的直流分量 
IN——为 N 次电流谐波幅度  βN——为 N 次电流谐波的相位  有功功率为基波有功功率与所有谐波有功功率的和,即 

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P = P1 + ∑ PN  
N =2 ∞

其中: 

P1 = V1 × I1 × cosθ1   (θ1 = α 1 β1 ) 
PN = VN × I N × cosθ N  ( θ N = α N β N ) 
由上式可知:电压、电流中包含的各次谐波功率因素及有功功率都已经计算在内,因此 芯片的对非正弦输入的有功功率计算也正确。 

7
7.1

模拟输入
电流通道

电流通过电流传感器转换为电压从电流通道(即 CS7005B 的第 1 通道)VP1、VN1(即第 5、 6 管脚)管脚输入芯片内部进行功率计算,其为全差分输入,差分峰峰值最大可达 1V,共模 电压可以达 ± 0.2V。  7.1.1 电压输入范围

在进行电能表设计时,为有效的防止电流通道和电压通道的信号过载,当 PGA=1 时,应使 输入信号的最大峰峰值不超过最大输入范围的一半(即!500mV) ,PGA=A 时,不超过 ± 1/A。下表列出了电流通道的最大输入范围与 PGA 增益的关系: 表 3:电流通道的最大输入范围与 PGA 增益的关系 DG1 0 0 1 1 7.1.2 电流传感信号接入方法 DG0 0 1 0 1 PGA 增益 1 2 8 16 最大输入差分峰峰值 !1V !500mV !125mV !62.5mV

方法一:电阻采样

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图11.  电流通道接入方法一(电阻采样) 图中:Rs 为电流采样电阻,一般为 300~500u的锰铜电阻,Rf 与 CFO 组成一阶低通滤波 器,用以虑除高频干扰信号,增强电表的抗高频干扰能力,同时,也可防止过大的高频信号 导致模拟信号输入过载。  低通滤波器的-3dB 转折频率为:1/(2×Π×Rf×CFO),设计时应使转折频率小于 100KHz (Rf 可取值 100Ω~1000Ω,CFO 可取值 1nF ~ 33nF)  注:RC 滤波器的转折频率越低,对 Rf、CFO 的精度要求越高,否则会带来通道间的相位 匹配误差,影响功率测量准确度。当 RC 滤波器转折频率小于 10KHz 时,Rf 的精度要保证在 1%以内,CFO 的精度要在 10%以内。当 RC 滤波器转折频率等于 100KHz 时,Rf 的精度要保 证在 10%以内,CFO 的精度要在 10%以内。因此电表设计时,建议尽量采用高精度电阻、 电容。  方法二:电流互感器(CT) 

  图12.  电流通道接入方法二(电流互感 CT) 使用电流互感器采样电流时注意 CT 变比与负载电阻 Rb 的选择, 必须保证最大负载条件下, 电流通道(即通道 1)的差分峰峰电压不超过 1/A(A 为 PGA 的增益) 。 

7.2

电压通道

电压通道即 CS7005B 的第 2 通道,VN2、VP2(为第 7、8 管脚) ,计量功率时从电压通道采 样输入电网电压。 

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7.2.1 信号输入范围

CS7005B 电压通道的最大输入差分信号范围为!1V,电表设计时,为有效防止信号过载,并 为电表的校正留下空间,应使输入信号的最大峰峰不超过最大输入范围的一半( 即 !500mV) 。 7.2.2 信号接入方法

方法一:电阻分压

图13.  电压通道接入方法一(电阻分压)   上图中,Ra 为可调电阻网络,可方便电表输出频率的校正。图中所示的电压值为最大值。   Rf,Cf 的取值与电流通道相同。  方法二:变压器感应 

  图14.  电压通道接入方法二 上图中 Rf,Cf 与第 1 通道相同。 

8

电源电压的检测
CS7005B 片内设计有电源电压检测电路,当电源电压下降到 0.8×Vdd 时,芯片会自动复
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位。检测电路的检测阈值设计有 0.1V 的滞回电压区间,避免了电源电压上的起伏噪声而引 起的反复复位。  电源电压检测示意图如下: 

图15.  电源电压检测信号波形

9

高通滤波与失调电压影响

假设电压、电流通道分别有失调 VOS、IOS,则在输入信号进行有功功率时出现误差相,具 体如下公式、下图所示: 

[V cos(ω t ) + VOS ]× [I cos(ω t ) + I OS ]
= V × I + VOS × I × cos(ω t ) + I OS × V × cos(ω t ) + VOS I OS + V × I × cos( 2 ω t ) / 2 2

 

图16.  通道失调对有功功率计算的影响图 因此必须对电压、 电流通道的输入数据进行高通处理, 消除失调电压对有功功率计算的影 响,CS7005B 的通道差异很小,通道相位误差远小于 0.05 度,保证在低功率因子时对功率 计算的准确。 

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10 功率到频率转换
CS7005B 的两个通道信号结果相乘、低通滤波后,仍然包含经衰减后的谐波信号,特别是 2 次谐波。 CS7005B 的低通滤波转折频率约为 5Hz, 对于 100Hz 的信号衰减约 27dB, 相对 0.1% 的精度要求,显然不够。  CS7005B 设计为直接输出数字脉冲驱动马达,因此需要将功率数值转换为对应频率的周期 信号,用于周期驱动计数器,进行有功功率计量。  考虑以上要求,选择合适的数字到频率的转换,既对计量值中的瞬时信息进行有效衰减, 同时输出准确周期信号。  CS7005B 的数字-频率转换采样独特的积分技术,将功率数值的瞬时信息平均,并且可以 方便设置输出脉冲的阈值,方便设计重用。  其功能框图如下: 

  图17.  CS7005B 数字-频率转换框图 CFO 是高频实时有功功率频率输出,最高可为 FO1、FO2 的 2048 倍,方便在电能表生产时 较表,FO1、FO2 以非常低的频率输出,有效滤除高频成分,实现几乎无纹波输出,准确驱 动计数器计数。 

11 输出频率与输入信号的关系
11.1 FO1、FO2 输出频率与输入信号的关系
FO1、FO2 输出频率与电流、电压通道输入信号的关系如下: 

FO =

8.06 × V1, rms × V2 ,rms × A × Fb Vref
 
2

其中:  Fo——FO1、FO2 输出频率  V1,rms——电流通道输入信号的有效值(RMS) 1,rms = (VP1-VN1)rms  ,V
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V2,rms——电压通道输入信号的有效值(RMS) 2,rms = (VP2-VN2)rms  ,V A——电流通道的 PGA 增益,由 G0、G1 设置  Fb——参考频率,由 SF0、SF1、SCF 设置  Fb 与 SF0、SF1 管脚电平的关系如下表:  表 4:Fb 与 SF0、SF1 管脚电平的关系 SF1  0  0  1  1  SF0  0  1  0  1  Fb(Hz)  1.7  3.4  6.8  13.6 

11.2 CFO 输出频率与 FO1、FO2 输出频率的关系
CFO 输出频率与 FO1、FO2 输出频率的关系如下表:  表 5:CFO 输出频率与 FO1、FO2 输出频率的关系 SCF 1 0 1 0 1 0 1 0 SF1 0 0 0 0 1 1 1 1 SF0 0 0 1 1 0 0 1 1 CFO 128×FO1,FO2 64×FO1,FO2 64×FO1,FO2 32×FO1,FO2 32×FO1,FO2 16×FO1,FO2 16×FO1,FO2 2048×FO1,FO2(高频模式)

12 电表应用时的参数设置
12.1 锰铜采样电阻的选择
针对不同的参比电流 Ib(basic current) ,应分别选用不同大小的锰铜采样电阻(Rs) , 锰铜采样电阻的选择应考虑以下几种因素:  1) 功耗,IEC1036 标准规定电表的总功耗应不超过 2W。  2) 精度,对 CS7005B 而言,电流通道的输入信号越大,测量准确度越高,而 CS7005B 能够保 证在电流通道的 PGA 输出在 1mV~0.6V 的范围内(即 1000:1 的动态范围) ,输出频率都 能达到 0.1%的准确度。 由于最终电表的测量准确度不仅与 CS7005B 相关, 还与片外的器件 精度有关,所以,在功耗允许的情况下,建议尽量使电流通道的输入信号落在 1000:1 动 态范围的偏上部分,以便在轻载的情况下,也能保证测量准确度。  3) 散热, 锰铜采样电阻选取得过大, 会导致该电阻上的功耗过大, 会使电表的工作温度过高, 影响测量准确度。  采样电阻的取值应均衡考虑以上因素,下表列出不同参比电流下,锰铜电阻(Rs)的参考取 值(PGA 增益设为 16 倍) : 
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表 6:锰铜电阻(Rs)的参考取值(PGA 增益设为 16 倍) 参比电流(Ib,A) 2.5 5 10 — 20 —   由于电流通道的 PGA 可分别设置为 1,2,8,16 倍,这也为锰铜采样电阻的取值增加了很 大的灵活性。如:对相同的参比电流,PGA 的增益提高一倍,则锰铜采样电阻的值可以减 小一倍, 从这一点说, 应尽量将 PGA 的增益设置到 16 倍上, 这样可以选用更小的采样电阻, 而另一方面,输入信号越小,测量准确度便越差,虽然 CS7005B 能够保证 PGA 输出电压在 1000:1 的动态范围内达到 0.1%的精度,但测量准确度还与片外的器件精度相关,所以在 轻载情况下, 适当增大锰铜采样电阻, 使输入信号的幅度增加, 可以更好地保证测量准确度。 最大电流 (Imax, A) 10 20 40 60 80 >100A 采样电阻值(Rs,u? ) 1000~2000 500~1000 350~500 325 200 125~175

注:Imax 为最大电流,一般 Imax≤6Ib

12.2 输出频率与量程的关系
以 100imp/KWh 的计数器为例,当功率为 1KWh 时,FO1、FO2 的输出频率为:  100/3600=0.0278Hz  下表列出了不同大小的电流,计数器为 100imp/KWh 的电表对应的 FO1、FO2 输出频率(假 设线电压为 220V) :  表 7:FO1,FO2 输出频率与输入电流关系表 电流(A) 10 20 40 60 80 100 120   FO1,FO2 频率(Hz) 0.061 0.122 0.244 0.366 0.488 0.61 0.732

12.3 SF0,SF1,SCF 的设置
12.3.1 SF0,SF1 的设置 电表设计时,应使电流通道和电压通道的输入信号不超过最大值得一半(参考 6.1.1、 6.2.1) ,这样可以使电流、电压通道的信号在极端情况下不至于过载,对电压通道而言,也 能留下校正的空间。  下表给出了对应不同电流范围的 SF0、SF1 的电平设置方法,以及 CS7005B 在对应条件下
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所能输出的最大频率,供电表设计者参考。 (电压通道为半满幅交流输入,即输入信号峰峰 值为±500mVpp)  表 8:FO1/FO2 最大频率表 Imax (A) Rs(u? ) 10 20 40 60 80 ≥100   从上表中可以看出,在最大电流较小时,PGA 的输出电压较小,距离半满幅(±500mVpp) 的距离较远,此时,可以适当增加 Rs 电阻,以便更好地保证轻载时的测量准确度。  在大电流情况下, 如果 PGA 的输出电压接近或超过半满幅度, 设计者可以在 PGA 的增益与 Fb 之间进行灵活选择,如:将 PGA 增益减小一倍,而将 Fb 增大一倍,设计者可根据实际需 要,灵活安排。  12.3.2 SCF 的设置 在完成 SF0,SF1 的设置后,SCF 可以根据电表常数来确定,对于计数器为 100imp/KWh, 电表常数为 3200imp/KWh 的电表, FO2 的输出频率与 CFO 的输出频率的关系是 100/3200, FO1、 从(表 5)中可以直接查到 SCF 的电平设置。  对于电表参数为其它值的电表,SCF 的设置方法类似,如:电表参数为 6400imp/KWh 时, FO1、FO2 的输出频率与 CFO 的输出频率的关系是 100/6400。  1000 500 350 325 200 125 增益 16 16 16 16 16 16 PGA 输出 (mVpp) ±226 ±226 ±317 ±441 ±361 — SF1 0 0 0 0 1 1 SF0 0 1 1 1 0 1 Fb(Hz) 1.7 3.4 3.4 3.4 6.8 13.6 FO1,FO2 最大输出频率 (Hz) 0.124 0.248 0.347 0.486 0.794 1.24

注:上表中的 FO1、FO2 最大输出频率均按交流输入信号计算得出。

13 FO1,FO2,CFO输出时序
输出时序图如下: 

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图18.  FO1,FO2,CFO 输出时序图 时序参数见下表:  表 9:CS7005B 时序参数表 参数 FO1,FO2 脉宽  FO1,FO2 周期  FO2 与 FO1 的延时  FO1,FO2 脉宽  FO1,FO2 周期  FO2 与 FO1 的延时  CFO 脉宽  CFO 周期  CFO 脉宽  CFO 周期  CFO 频率为高频模式(见表 5)  CFO 脉宽  CFO 周期  说明:  TCFO:CFO 输出脉冲的周期 
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符号 tw1  tw2  td3  tw1  tw2  td3  tw4  tw5  tw4  tw5  tw4  tw5 

最小 275  T  T/2  T/2  T  T/2  90  TCFO  TCFO/2  TCFO  18  TCFO 

典型                        

最大                        

单位 ms  s  s  s  s  s  ms  s  s  s  us  s 

当 FO1、FO2 的输出频率小于 1.81Hz(550ms)时 

当 FO1、FO2 的输出频率大于 1.81Hz(周期小于 550ms)时 

当 CFO 的输出频率小于 5.56Hz(周期大于 180ms)时 

当 CFO 的输出频率大于 5.56Hz(周期小于 180ms)时 

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参数 符号 最小 典型 最大 单位

T:FO1,FO2 输出脉冲的周期  测试条件:       AVDD=DVDD=5V+/-5%,参考时钟为 3.579MHz,温度范围为-40~85 度 

14 启动阈值电流
根据 IEC1036 标准的规定,电表的启动电流必须不大于 0.4%Ib。根据不同的参比电流, CS7005B 内部分别设计有不同的启动电流:  3) 当 Ib≤10A 时,启动电流 Istart≤8mA, (假定线电压为 220V)  4) 当 Ib≤20A 时,启动电流 Istart≤16mA, (假定线电压为 220V) 

15 极限工作条件
表10   CS7005B 极限工作条件 参数  AVDD 相对于 AVSS 电压  DVDD 相对于 DVSS 电压  AVDD 相对于 DVDD 电压  VN1,VP1,VN2,VP2 端口相对于 AGND 电压  其余端口相对于 VDD 电压  存储温度范围  最大工作温度范围  结温  焊接温度(10 秒)  ESD(HBM)  管脚 Latch-up 电流    最小  -0.4  -0.4  -0.4  -1  -0.4  -65  -40  —    3.5  150  典型                  260  4  200  最大  7.0  7.0  0.4  1  VDD+0.4  150  85  150        单位  V  V  V  V  V  ℃  ℃  ℃  ℃  KV  mA 

16 CS7005B封装

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图19.  CS7005B 封装轮廓图

17 附录 1:电表设计时的参数设置
举例说明电表设计时的参数设置。  假设相关输入参数如下:  线电压:220V  参比电流:10A  最大电流:40A  电表计数器:100imp/KWh  电表常数:3200imp/KWh  锰铜采样电阻:350u?   按照以下步骤设计: 

17.1 第 1 步:首先计算电流通道最大输入电压 VP1p
V1,rms=40A×350 u? =14mV  VP1p=1.414×V1,rms=19.8mV 
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很显然,PGA 的增益要设为 16 倍,以便合理利用 1000:1 动态范围  PGA 的输出电压为:19.8×16=317mV  由表 8 可查出,Fb=3.4Hz 

17.2 第 2 步:计算最大输出频率
FO1/2max=40A×220V×(100imp/KWh)/31000=0.2444444Hz 

17.3 第 3 步:计算电压通道的输入电压
根据输出频率表达式:  FO = 得到:  0.2444444Hz=8.06×14mV×V2,rms×16×3.4Hz/2.5   计算出 V2,rms=248.885mV,因此得到 VP2p 为  VP2p=1.414×248.885mV=351.92mV  所以,只要调整电压通道的校正电阻网络,使得电压通道的输入电压 VP2p 为 351.92mV 即可。 


8.06 × V1,rms × V2,rms × A × Fb Vref
2

 

18 附录 2:CS7005 应用电路BOM清单
标识 M1 C7 C3 C2 C8 CR1 C1 C18 C13 RW1 R2 R14 R5 R3 R4 D1 Z1 Z2 0 0.1uF 0.1uF 0.1uF 0.1uF 0.1uF 0.1uF 0.1uF 0.33uF 350u 1K 1K 1K 1K 1K 1N4007 1N4734A 1N4744A 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 电容 锰铜电阻片 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 二极管 Schottky Diode Schottky Diode
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标称值

类型

描述 10%,16V 10%,50V 10%,16V 10%,16V 10%,50V 10%,16V 10%,16V 275V 5%,1/8W 5%,1/16W 5%,1/8W 5%,1/8W 5%,1/8W

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标识 R13 Q1 CRY1 R12 R11 R1 R26 R28 R17 R10 R23 R24 C10 C11 R16 R21 C9 C6 C4 C12 R9 R8 R15 R27 R7 C17 R30 R31 R6 VA C14 R25 R22 R20 RV1 U1 1.6 0.8 0.4 12.8 6.4 4.7K 9.1K 10K 10K 10K 10M 18K 20 20 22pF 22pF 24K 24K 33nF 33nF 33nF 33nF 39K 75K 100 100 100K 100uF 150K 150K 150K 220V 470uF 471 510 621 680K CS7005 JUMPER JUMPER JUMPER JUMPER JUMPER
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标称值 2.2K 2SC1623-L6

类型 NPN 三极管 石英晶体 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电容 电阻 电阻 电容 电容 电容 电容 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电阻 电阻 电阻 Capacitor 电阻 电阻 电阻 Metal Oxide Varistors 芯海科技的 CS7005 芯片 跳线

描述 5%,1/16W 3.579545MHz 5%,1/16W 5%,1/16W 5%,1/8W 5%,1/8W 5%,1/8W 5%,,1/8W 5%,1/16W 5%,1/8W 5%,1/8W 5%,50V 5%,50V 5%,1/8W 5%,1/8W 10%,50V 10%,50V 10%,50V 10%,50V 5%,1/16W 5%,1/8W 5%,1/8W 5%,1/8W 5%,1/2W 16V 5%,1/2W 5%,1/2W 5%,1/2W * 35V 5%,1W 5%,1/16W 5%,1/8W Vrms=275V;VDC=350V * * *

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标识 3.2 S0 S1 0.2 0.1 L1 E1 标称值 JUMPER JUMPER JUMPER JUMPER JUMPER LED NEC2501 发光二极管 光电耦合芯片 类型 描述

 

19 附录 3:CS7005B应用电路
    图20.  CS7005B 应用电路图     图21.  校正电阻网络  

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