功率计量芯片应用方案


芯祺科技 FLAGCHIP
特 点
高准确度: 对50 / 60Hz 在500:1 的动态范围内, 误差小于0.1%; 更适合低成本方案: 高电源抑制比,电源跳变带来的误差

低成本单相电能计量芯片

FC7758
概 述

内置晶振 / SOP8

FC7758 是一种高准确度电能测量集成 电路,主要面向低成本电子式单相电能表。 由于设计时考虑了各种应用环境, 因而其具 备:高电源抑制比、低功耗、外置晶振、精 确的相位补偿,这些都使得FC7758 能应用 于成本更低的方案中,并能保证相当的精 度。 内部相位补偿电路采用芯祺科技专利技 术,使电压和电流通道的相位始终精确匹 配,50/60Hz输入信号有很好的效果。 内部空载阀值特性保证FC7758 在空载 时没有潜动。 FC7758 内置电源监控电路。 当电源电压 小于4V 时,FC7758 保持在复位状态, F1、 F2和CF无输出。

≤0.05%;
低功耗,5V单电源供电低,工作时功耗

≤20mW;
可在保证精度的前提下采用成本更低的 电源电路方案。 内置晶振 通道相位补偿 内置相位补偿功能,电流电压通道相位 精确匹配。 输入信号频率的影响,50 / 60Hz相位均 有很好的匹配度。 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/℃; 低阈值启动,启动电流 ≤ 0.4% Ib 片内集成防潜动功能 内集成电源电压检测电路,电源低至4V 时,芯片复位,停止工作; 电流通道固定16倍增益 采用SOP8封装

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管脚及功能描述

低成本单相电能计量芯片

FC7758

内置晶振 / SOP8

序号 1 2、3

符号 VDD V1P、V1N 电源

功能描述 电流通道的正、负模拟输入管脚,全差分输入方式。 电流通道内部固定16倍增益,所以最大输入电压范围为 ± 62.5mVpp。 适合采用锰铜采样片的场合。 电压通道正模拟输入管脚。 芯片地 频率校验输出管脚,其输出频率反映瞬时有功功率的大小,常用于仪 表校验。 低频逻辑输出管脚,其输出频率反映平均有功功率的大小,可以直接 驱动机电式计度器或者两相步进电机

4 5 6 7

V2N GND CF F2

8

F1

极限工作条件
参数 VDD 相对于AGND 电压 VDD 相对于DGND 电压 存储温度范围 最大工作温度范围 结温 最小 -0.3 -0.3 -65 -40 — 典型 5.0 5.0 最大 7.0 7.0 150 85 150 单位 V V ℃ ℃ ℃

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参数名 电源特性 电源电压 功耗 数字输出 输出高电平 输出低电平 模拟输入 电流通道范围 电压通道范围 直流输入电阻 精度 500 4.0 0.5 V V mV V KΩ 4.75 5 20 5.25 35 V mW 最小值

低成本单相电能计量芯片

FC7758
典型值 最大值 单位

内置晶振 / SOP8

技术指标(AVDD=DVDD=5V,AGND=DGND=0V,使用片内基准源)
说明

± 62.5 ±1

V1P,V1N管脚的输入电压 V2P,V2N管脚的输入电压

IB=5A 功率因数cosj=1 非线性测量误 差 0.1 %

在对应与5%Ib--800%Ib 范 围内, 任何一点输出频率相 对于Ib点的测量非线性误 差小于0.1%
IB=5A 功率因数cosj=1 输入电流5%Ib时跳边最大,为 平均读数的0.15% 电流为100%Ib(5A)时,相位 变化引起的误差读数 电流为100%Ib(5A)时,相位 变化引起的误差读数 Ib=5A

CF跳变

0.15

%

通道相位误差 电流超前37° (PF=0.8容性) 电流滞后60° (PF=0.5感性) 防潜阈值 -0.05 +0.07 8 % % mA

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数字输出时序特性

低成本单相电能计量芯片

FC7758

内置晶振 / SOP8

数字输出信号包括F1、F2、CF。F1、F2直接驱动机电式计度器,输出频率反映平均有功 功率的大小。CF为频率校验输出管脚,其输出频率反映瞬时有功功率的大小,常用于仪表校 验。 FC7758中,CF的频率固定为F1、F2的8倍。 对于常数为200imp/kWh的记度器(记录1度电要转动200次),也F1、F2来200次脉冲表 示1KWh。此时CF要1600次脉冲表示1KWh,因而校表常数设定为1600。 对于常数为100imp/kWh的记度器(记录1度电要转动100次),也F1、F2来100次脉冲表 示1KWh。此时CF要800次脉冲表示1KWh,因而校表常数设定为800。 FC7758没有相关配置速率的引脚, 应用不同的记度器可通过电阻分压串调节电压输入端 信号来实现。

参数

数值 150

单位 ms

测试条件及注释 F1和F2的低电平脉宽。小功率时,F1,F2 输出 144ms定脉宽;大功率,当F1,F2 输出周期小于 550ms 时,F1,F2 的脉宽为周期的一半。 F1和F2的周期 F1下降沿和F2下降沿之间的时间 F1和F2脉冲之间的最小距离 CF输出的高电平脉宽。小功率时,CF 输出90ms定 脉宽;大功率,当CF 输出周期小于180ms 时,CF 的脉宽为周期的一半。 CF输出脉冲周期

t1 t2
t3 t6

T T/2 CLKIN/4

s s s

t4
t5

90

ms

TCF

s

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FC7758 典型特性
FC7758测试线性度 0.1 误差(%) 0.05 0 -0.05 0 5% 10% 20% 50% 100%

低成本单相电能计量芯片

FC7758

内置晶振 / SOP8

200%

400%

800%

电流 Ib=5A(%) PF=0.5L PF=1 PF=0.8C

FC7758 测量线性度(G=16)
FC7758频率变化测试结果(Ib=5A) 0.06 0.04 0.02 0 -0.02 -0.04 -0.06
45 50 55 60 65 70 75

误差(%)

频率(Hz) PF=1 PF=0.5L PF=0.8C

FC7758 频率变化测试结果(G=16,I = Ib = 5A)
FC7758 跳变性能 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0.025 5% 10% 20% 50% 100% 200% 400% 800% Ib=5A电流(%)

误差(%)

跳变

FC7758 跳变性能
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功能描述
功率测量原理

低成本单相电能计量芯片

FC7758

内置晶振 / SOP8

设电流、电压信号分别为:V cos(ω ? t ) 、 I cos(ω ? t + Φ ) ,其中 Φ 为电流电压相位偏 差。则视在功率为:

P (t ) = V cos( wt ) × I cos( wt ? Φ ) = V cos( wt ) × [ I cos( wt ) cos Φ + sin( wt ) sin Φ ]

=
其中

VI VI [1 + cos(2 wt )]cos(Φ ) + sin(2 wt ) sin(Φ ) 2 2

VI sin( 2ω ? t ) sin(Φ ) 为瞬时无功功率,其代表电路中的储能元件和供电设备间的 2

电能交换,并不是实际消耗的功率。

VI [1 + cos( 2ω ? t )] cos(Φ ) 直流部分代表实际电能消耗,即有功功率,有功功率是电 2
能表测量的首要对象。为了得到有功功率成分(即直流分量),只要对瞬时功率进行低通 滤波,去除 2 ? ω 频率分量即可。 若 Φ = 0 ,则 P (t ) =

VI [1 + cos(2wt )] ; 2

对于非正弦电流和电压信号,上述方法同样适用。在实际应用中,所有电流和电压都 含有一定的谐波成分,瞬时电流和电压可以用傅立叶变换转换成谐波分量之和。然后,通过 上述方法计算,最终得到的有功功率可用基波的有功功率和谐波的有功功率之和来表达。

失调电压影响与高通滤波 若电压、电流通道分别有失调VOS、IOS,则失调信号相乘后将出现一个直流分量,这个直 流分量在通过低通滤波器后将产生有功功率,因此成为一个固定的误差 Vos × I os 。

设Φ = 0: P(t ) = [V cos(ω ? t ) + Vos ] × [ I cos(ω ? t ) + I os ] = (V × I ) / 2 + Vos × I os + Vos × I cos(ω ? t ) + I os × V cos(ω ? t ) + (V × I ) / 2 × cos(2ω ? t )

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低成本单相电能计量芯片

FC7758

内置晶振 / SOP8

为避免这问题,对电流通道进行高通滤波, I os 直流分量消失后,相乘将不会再产生直 流误差分量。 FC7758工作原理

FC7758片内的Σ? ADC将电压通道、电流通道的模拟输入信号转换为数字信号。 为了避免通道失调电压对电能计量精度造成影响,电流通道并经过高通滤波,去除直 流失调。高频滤波器会带来非线性相位,因而需要对其进行相位校正,以保证相乘时电流和 电压通道的相位在不同输入频率下相同。 以下是FC7758通道在不同频率下的相位匹配度:
通道间的相位误差 0.15 0.1 相位(度) 0.05 0 -0.05 -0.1 -0.15
35 40 45 50 55 60 65 70 75

频率(Hz)

通道相位匹配度直接影响功率因子: PF = cos Φ 为了避免相乘时高频噪声混叠,电流通道会先经过COMB低通虑波。
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FC7758

内置晶振 / SOP8

之后两通道的数字信号会相乘,再依次通过低通滤波、数字到频率转换后经CF、F1、F2 管脚输出数字脉冲,其信号框图如上图所示。 FC7758的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生,即在两个输出脉冲之间经 过长时间的累加, 因此输出频率正比于平均有功功率。 当这个平均有功功率信息进一步被累 加,就能获得电能计量信息。CF输出的频率较高,累加时间较短,因此CF的输出频率正比于 瞬时有功功率。 模拟输入

电流通道V1 电流信号通过锰铜采样电阻转换为电压,从电流通道V1P、V1N(即第2、3管脚)管脚输 入。电流通道包含固定16倍的增益,因而,为有效防止电流通道和电压通道的信号过载,差 分峰峰值最大为±62.5mV。 电流信号接入方法:锰铜电阻采样:

Rs为锰铜采样电阻,一般为350~1000u?,Rf与CF组成一阶低通抗混叠滤波器,用以 虑除高频干扰信号。 由于内部Σ? ADC采样率高达900K,因而抗混叠滤波器很好设计。 电压通道V2 电压信号通过电阻串分压,将220V电压转换成适合FC7758的信号后从电压差分输入通
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FC7758

内置晶振 / SOP8

道V2N、V2P(第4、5管脚)输入。电压差分通道的最大输入信号范围为±1V。 电压信号接入方法:电阻分压。

Rm为可调电阻网络,可方便电表输出频率的校正。Rf,Cf组成一阶低通抗混叠滤波 器,用以虑除高频干扰信号。Rf,Cf与电流通道相同,这样低通虑波器对电流信号和电 压信号的相位偏移相同,不会影响功率因数。

F1、F2、CF频率输出 F1、F2 频率计算 FC7758对输入的电压和电流两个通道的输入电压求乘积,并通过信号处理,把获取的 有功功率信息换成频率。以脉冲方式从F1、F2脚输出与功率相关的频率信号。实际功率的 输出脉冲(F1、F2)计算公式:
2 Freq = 32.55 × V1 × V2 × G / (Vref

)

式中:

Freq——F1、F2输出频率

V1 ——电流通道输入信号的有效值 V2 ——电压通道输入信号的有效值
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低成本单相电能计量芯片

FC7758

内置晶振 / SOP8

G——电流通道的增益=16

Vref ——基准电压的值,等于2.5V。
CF 频率计算 CF 输出频率 Fcf=8×F1,F2。

应用说明
FC7758 应用电路

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电源电路

低成本单相电能计量芯片

FC7758

内置晶振 / SOP8

如FC7758应用电路图所示,电源电路可采用两种简单的结构:电源电路A、电源电路B。 后者在性能上比前者略好! 当然亦可采用三极管或通过7805提供FC7758的电源。

FC7758封装

单位:mm

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附录
校表常数 1600

低成本单相电能计量芯片

FC7758

内置晶振 / SOP8

常温 25°C ,标准电流 5A,工作电压 220V,锰铜片选用 1000 μΩ ,通道 V2N 采用的衰 减电阻如下图,图中 J1-J9 是可调开关,其中 J5、J8 和 J9 通常情况下总是断开的,而其他 开关可根据不同芯片进行调节,可调范围达到 10%。

校表常数 3200
常温 25°C ,标准电流 5A,工作电压 220V,锰铜片选用 1000 μΩ ,通道 V2N 采用的衰 减电阻如下图,图中 J1-J9 是可调开关,其中 J1 通常情况下总是断开的,而其他开关可根 据不同芯片进行调节,可调范围达到 20%。

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