计量电路芯片介绍


电子式电能表计量芯片原理 与常用计量芯片简介
主讲人: 胡
2006-1-12 三星科技有限公司



电子式电能表计量芯片原理与常用计量芯片简介
1.电能计量芯片的原理
电能表是电力部门计费的唯一工具,需保证其性能稳定性、 测量准确性和可靠性。目前已有大量的电子式电能表在实际运 行之中。电子式电能表的技术特性主要取决于电能计量集成电 路的特性,所以对电能表计量芯片进行研究,具有十分重要的 经济价值和理论意义。 电能计量芯片的计量原理主要分为模拟乘法器和数字乘法 器两大类: ? 模拟乘法器原理主要分为时分割乘法器原理和吉尔波特变跨 导乘法器原理两大类。采用时分割原理的电能计量芯片多数采 用电流平衡型时分割乘法器,利用脉冲宽度调制的方法完成运 算;代表性国产产品有上海贝岭电子公司的BL0931和BL0932 [5]。采用吉尔波特变跨导乘法器原理的电能计量芯片利用晶体 管的伏安特性完成运算,可实现两象限或四象限的线性乘法。

? 采用数字乘法器的电能芯片依据采样原理,采用过零同步采 样法,对一连续波形经A/D变换器进行整周期数字采样,把连 续波形离散化,MCU根据均方根算法计算出电流、电压的有效 值,再相乘得出功率值。每一芯片有一独立的时基信号发生器, 功率值乘以时间就可完成电能测量。数字乘法器电能计量芯片 特点:能进行多种电参数的测量;当采样频率选择得当,可进 行非正弦信号的测量;动态响应速度慢,不适合对负载变化大 的信号进行测量;电能测量准确度级别一般为1.0~0.5级。 采用数字乘法器原理的电能计量芯片对波形进行数据采样 的A/D转换器主要有两类: (1) 逐次比较型A/D转换器

逐次比较型A/D转换器主要有四部分构成:一个比较器、一 个数模转换器、一个逐次逼近寄存器和一个逻辑控制单元。转 换中的逐次逼近是按对分原理、由逻辑控制单元完成的。在逻 辑控制单元的时钟驱动下,逐次逼近寄存器不断进行比较和移 位操作,直到完成最低有效位的转换。由于提高分辨率需要相

当复杂的比较网络和极高精度的模拟电子器件,难以大规模集 成,所以逐次比较型A/D转换器原理的电能计量芯片的测量等 级都不高。这一类型产品如南非Sames公司生产的SA91系列 单、三相电能计量芯片等。
(2)Σ-Δ原理A/D转换器 基于FIR(有限长单位脉冲响应)数字滤波原理的A/D转换器即 Σ-ΔA/D转换器。该芯片主要采取了增量调制、噪声整形、数 字滤波和采样抽取等技术,能够以较低的成本实现高线性度和 高分辨率,所以应用Σ-Δ原理的A/D转换器的电能计量芯片, 其测量等级都较高;又由于Σ-Δ原理A/D转换器是根据模拟信 号波形的包络形状来进行量化编码,对波形幅值的变化不敏感 ,所以此类电能芯片具有良好的电磁兼容性。这一类型产品如 美国ADI公司于1998年首先研制出的ADE7755系列产品;Crystal公司的CS5460,Atmel公司的AT73C500、AT73C501和 AT13C502系列产品等。

早期的电能计量芯片有的只是一个数据采集器,即使有DSP 引擎,功能也不强,和单片机系统的连接也只是提供高、低频 率的脉冲输出;单片机一般利用自身的计数器/定时器记取脉冲 数。目前的电能计量芯片(包括即将推出的)较以前的有了很大 不同,不仅有数据采集功能,还有被测电源系统的状态信息记 录功能;芯片对采集的数据进行了大量的加工和运算,直接给 出了需要的各种电量,如电压、电流、有功和无功功率(电能) 、相角和频率等量值;与单片机系统的连接一般采用SPI或I2C 串行口,把被测电源系统的过电压、过电流、欠电压、欠电流 、断相、错相、过零等状态利用中断和单片机系统交流信息。 此外,芯片一般有校正特性,如偏移校正、增益校正和相位校 正。单片机系统对寄存器写入一定的位值就能对电能表进行校 正,即软件校正。为了使电能表正常工作或者按某种需要方式 工作,单片机只要对计量芯片的控制器写入适当的控制字就可

以了。芯片中可通过串行口读写的寄存器有数十个之多,可以 读入所需的所有电量数据。所以,电能计量芯片不仅决定了电 能表的主要性能(见GB/T 17215),而且在技术上无论是硬件还 是软件(已固化在芯片内)也都比后续单片机系统复杂的多。单 片机系统的主要任务,在系统的前端是写计量芯片的控制寄存 器、读计量芯片的数据寄存器和接受状态信息及处理中断;在 系统的后端就是显示、计量分时电能和需量、管理(如通过RS 485、红外等通信接口进行通信)等。这样,电能表的两个单元 ——计量单元和数据处理单元较为均衡、合理 。 目前的电能计量芯片的另一特点是把电测量理论关于电功率 (电能)的一些基本理论融入了芯片制造技术之中,如:功率表的 角误差、乘法器的瞬时功率信号频谱、关于无功功率(电能)的处 理方法以及电源周波电能累计模式应用于校正等。

2.常用电能计量芯片
国内常用的一些电能计量芯片大致情况如下:用于电压、电 流等电量的数据采集器;脉冲输出的单、三相电能计量芯片;

内置串口的带DSP引擎及相关软件的单、三相多功能电能计量 芯片;防窃电电能表用单、三相电能计量芯片;带di/dt采样器 接口和DSP引擎的单、三相电能计量芯片;带内部精密振荡器 的电能计量芯片等。 以我公司各型电子式电能表为例,其电量数据的获取(即计 量电路的组成)主要由基于数字乘法器原理的专用电能计量芯片 实现和A/D转换器+MCU的交流采样方式实现,以下分别作简 要介绍。 2.1 ADI公司ADE7751:片内故障检测型单相电能计量芯片 ADE7751是一种可检测故障的高准确度专用电能计量芯片 ,用于单相二线配电系统,支持50Hz和60Hz的IEC61036标准 的要求,在1~500的动态范围内误差小于0.1%,部分指标优于 IEC61036规定的准确度要求。 ADE7751只在A/D转换和基准源中使用模拟电路,所有其他 信号处理(如乘法运算和滤波)都采用数字方式进行,这使得ADE 7751在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。

ADE7751采用低成本CMOS工艺,为电能测量提了供单芯 片的低成本解决方案。 ADE7751具有一种新颖的故障检测设计,在45Hz~55Hz 线路频率下工作时,能对故障状态报警;同时ADE7751通过持 续监视相线和中线(回馈线)电流实现在故障期间继续准确计量。 当两路电流相差超过12.5%时即指示有故障,从而即使在故障期 间(如两线中有一线没有负载任何电流),平均有功功率输出脚F1 和 F2 上 的 输 出 脉 冲 频 率 也 能 通 过 两 路 电 流 中 较 大 者 产 生 。 ADE7751提供这种有效的方法以遏止电流回地的各种企图,对 于电能表窃电,这仍然时一种非常简单有效的方法。 F1和F2引脚上的输出脉冲频率能直接驱动单相步进电机和 机电式脉冲计数器,以及与MCU接口;瞬时有功功率从CF引脚 以较高频率输出,用于电能表校验或与MCU连接。逻辑输出引 脚FAULT和REVP能指示接线错误或故障状态。ADE7751内部相 位匹配电路能保证电压和电流通道的相位始终是匹配的。AD E7751内部的无负载阈值保证了ADE7751在无负载时没有潜动 ,而电流通道中的PGA(可编程增益放大器)使得电能表可以采用

小阻值的分流电阻。ADE7751采用+5V单电源供电,功耗低 (典型值15mW),具有外部过驱动性能。ADE7751内部有一个 对电源引脚VDD的监控电路,在VDD上升到+4V±5%之前, ADE7551一直保持在复位状态。同样,如果VDD降到+4V± 5%以下,ADE7751也被复位,此时F1、F2和CF没有输出。 ADE7751为24脚DIP和SSOP封装,图1是ADE7751管脚 定义图,有关ADE7751芯片的详细信息可参阅相关资料。目 前,ADE7751主要应用于各型单相电子式电能表,其典型电 能计量电路原理如图2所示。 2.2 ADI公司ADE7755:脉冲输出型单相电能计量芯片 ADE7755是一种高准确度专用电能计量芯片,用于单相 二线配电系统,支持50Hz和60Hz的IEC61036标准的要求。 在1~500的动态范围内误差小于0.1%,部分指标优于IEC61 036规定的准确度要求。 ADE7755只在A/D转换和基准源中使用模拟电路,所有其 他信号处理(如乘法运算和滤波)都采用数字方式进行,这使得

图1 ADE7751管脚定义图

图2 ADE7751电能计量电路原理图

ADE7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳 定性。 ADE7755采用低成本CMOS工艺,为电能测量提了供单芯 片的低成本解决方案。ADE7755的引脚F1和F2以较低频率输出 平均有功功率,F1和F2引脚上的输出脉冲频率能直接驱动单相 步进电机和机电式脉冲计数器,以及与MCU接口;瞬时有功功 率从CF引脚以较高频率输出,用于电能表校验或与MCU连接。 逻辑输出引脚REVP能指示反向功率或接线错误。ADE7755内 部相位匹配电路能保证电压和电流通道的相位始终是匹配的。 ADE7755内部的无负载阈值保证了ADE7755在无负载时没有潜 动,而电流通道中的PGA(可编程增益放大器)使得电能表可以采 用小阻值的分流电阻。 ADE7755采用+5V单电源供电,功耗低(典型值15mW), 具有外部过驱动性能。ADE755内部有一个对电源引脚AVDD的 监控电路,在AVDD上升到+4V±5%之前,ADE7755一直保持 在复位状态。同样,如果AVDD降到+4V±5%以下,ADE7755 也被复位,此时F1、F2和CF没有输出。

ADE7755为24脚SSOP封装,图3是ADE7755管脚定义图, 有关ADE7755芯片的详细信息可参阅相关资料。目前,ADE77 55主要应用于各型单相电子式电能表,其典型电能计量电路原 理如图4所示。 2.3 ADI公司ADE7752:脉冲输出型三相电能计量芯片 ADE7752是一种高准确度的三相专用电能计量芯片,支持 50Hz和60Hz的IEC60687和IEC61036标准的要求,在1~500的 动态范围内误差小于0.1%,部分指标优于IEC61036规定的准确 度要求。 ADE7752兼容三相三线Δ连接和三相四线Y连接。ADE7752 只在A/D转换和基准源中使用模拟电路,所有其他信号处理(如乘 法运算和滤波)都采用数字方式进行,这使得ADE7752在恶劣的环 境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。 ADE7752计算六个电压信号(三个电流通道和三个电压通道) 的乘积,然后对乘积进行低通滤波,得到有功功率信息,再将其

图3 ADE7755管脚定义图

图4 ADE7755电能计量电路原理图

转换成频率,由引脚F1和F2输出,此逻辑输出能直接驱动机电 式脉冲计数器或MCU接口。CF引脚输出瞬时有功功率值,用于 电能表校验。 ADE7752采用低成本CMOS工艺,为电能测量提了供单芯 片的低成本解决方案。ADE7752的引脚F1和F2以较低频率输出 平均有功功率,F1和F2引脚上的输出脉冲频率能直接驱动步进 电机和机电式脉冲计数器,以及与MCU接口;瞬时有功功率从 CF引脚以较高频率输出,用于电能表校验或与MCU连接。逻辑 输出引脚NEGP指示反向功率或接线错误。 ADE7752内部相位匹配电路能保证电压和电流通道的相位 始终是匹配的;内部的无负载阈值保证了ADE7752在无负载时 没有潜动。 ADE7752采用+5V单电源供电,功耗低(典型值60mW),具 有外部过驱动性能。ADE7752内部有一个对电源引脚VDD的监 控电路,在VDD上升到+4V±5%之前,ADE7752一直保持在 复位状态。同样,如果VDD降到+4V±5%以下,ADE7752也 被复位,此时F1、F2和CF没有输出。

ADE7752为24脚SOIC封装,图5是ADE7752管脚定义图, 有关ADE7752芯片的详细信息可参阅相关资料。目前,ADE77 5 2主要应用于各型三相电子式多费率电能表,其典型电能计量 电路原理如图6所示。 2.4 ADI公司ADE7758:带SPI串行输出接口的脉冲输出型三相 电能计量芯片

ADE7758是一种高准确度的三相专用电能计量芯片,支持 IEC60687 、IEC61036和IEC61268等标准的要求,在1~1000 的动态范围内误差小于0.1%。 ADE7758 集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元 件等,有可用于有功功率、无功功率、视在功率的瞬时值与平均 值测量以及以数字方式校正系统误差(增益、相位和失调等)所必 须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路(不论三线制或 者四线制)。

图5 ADE7752管脚定义图

图6 ADE7752电能计量电路原理图

ADE7758只在A/D转换和基准源中使用模拟电路,所有其 他信号处理(如乘法运算和滤波)都采用数字方式进行,这使得 ADE7758在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳 定性。 ADE7758采用低成本CMOS工艺,为电能测量提了供单芯 片的低成本解决方案。ADE7758将六个电压信号(三个电流通道 和三个电压通道)经片内可编程增益放大器PGA1,PGA2 和模数 变换ADC 转换为对应的数字信号后,电流信号经电流通道内的 高通滤波器HPF 滤除DC 分量并数字积分,与经相位Φ校正后 的电压信号相乘,产生瞬时功率;此信号经低通滤波LPF2 产生 瞬时有功功率信号;各相功率相加得到总的三相瞬时有功功率 ,经DOUT 引脚输出。无功功率和视在功率的计算与此类似。 ADE7758的APCF引脚输出瞬时有功功率值,VARCF引脚 输出瞬时无功功率或视在功率值,用于电能表校验。 ADE7758采用+5V单电源供电,功耗低(典型值70mW), 具有线电压跌落(SAG)检测和过压保护性能。 ADE7758内部有 一个对电源引脚AVDD的监控电路,在AVDD上升到+4V±5%

之前,ADE7758一直保持在复位状态。同样,如果AVDD降到 +4V±5%以下,ADE7758也被复位,此时F1、F2和CF没有输 出。 ADE7758所有功能都是通过SPI串行接口以中断( IRQ)方式 读/写片内寄存器来实现的,用户可设置线电压跌落(SAG)检测、 过电压、过电流监测、无负载时的防潜动等的阈值,以及设置 ADE7758 的工作模式、测量模式、波形采样模式、有效值偏差 补偿量和中断模式等;可实现逆相序、电压峰值、频率检测和 相位、温度补偿等功能。ADE7758片内数字积分器可以与电流 采样器(di/dt输出,如洛高斯基Rogowski线圈)直接接口。 ADE7758为24脚SOIC封装,图7是ADE7758管脚定义图, 有关ADE7758芯片的详细信息可参阅相关资料。目前, ADE7758主要应用于D系列三相电子式多功能电能表,其电能 计量电路原理框图如图8所示。 2.5 珠海炬力公司ATT7023:带SPI串行输出接口的脉冲输出型 单相电能计量芯片

图7 ADE7758管脚定义图

图8 基于ADE7758的三相电子式多功能电能表D系列工作原理框图

ATT7023是一种高准确度的多功能、多费率单相电能计量 芯片,支持IEC687/1036,GB/T17883和GB/T17215的要求, 在1~1000的动态范围内误差小于0.1%;适用于单相复费率电 能表和单相复费率IC卡表。 ATT7023能够输出电压有效值、电流有效值、线电压频率、 有功/无功功率值、电能值等。有功功率平均值从引脚F1、F2和 F3、F4以频率方式输出。F1、F2和F3、F4可直接驱动机电式 计数器和两相步进电机;同时支持两相四拍电机,此时有功功 率平均值从FA1、FA2、FA3、FA4或FB1、FB2、FB3、FB4输 出。 ATT7023有功功率和无功功率瞬时值从引脚CF1和CF2以较 高频率方式输出,用于电能表校准。ATT7023具有防窃电功能, 片内带有防潜动功能(空载阈值),片内基准电压2.5V±8%(温度 系数典型值30ppm/℃),能为外部电路提供基准。 ATT7023内建8051兼容微处理器,存储器包括2K+256 Byte的SRAM、32Kbyte的程序OTP Memory、电源电压监测单 元、看门狗(Watchdog)电路、38K红外调制波等;外围逻辑接

口电路包括UART、四线SPI接口、低功耗实时时钟模块、E2P ROM接口、4Common×40Segment LCD驱动电路、可编程 时钟脉冲输出端等。 ATT7023为LQFP100封装,图9是ATT7023管脚定义图。 有关ATT7023芯片的详细信息可参阅相关资料。目前,ATT70 23主要应用于各型单相电子式多功能电能表,其电能计量电路 原理框图如图10所示。

2.6 珠海炬力公司ATT7022B:带SPI串行输出接口的脉冲输出 型三相电能计量芯片
ATT7022B是一种高准确度的多功能防窃电基波谐波三相 电能专用计量芯片,在1~1000的动态范围内非线性测量误差 小于0.1%。有功测量满足0.2S、0.5S,支持IEC62053-22,G B/T17883-1998;无功测量满足2级、3级,支持IEC6205323,GB/T17882-1998。 ATT7022B可测量基波、谐波电能以及总电能,有功、无

图9 ATT7023管脚定义图

图10 ATT7023电能计量电路原理框图

功、视在功率测量,正、反向有功、无功电能测量;功率因数、 相角、线频率参数测量;电压、电流有效值参数测量,精度优 于0.5%;电压、电流相序检测功能;三相电流、电压矢量和之 有效值输出功能;电压夹角测量;失压判断;反向功率指示; 有功、无功、视在功率校表脉冲输出;基波有功、无功校表脉 冲输出;合相电能绝对值和与代数和可选;内置温度测量传感 器;电表常数可调;启动电流可调;可准确测量到含21次谐波 的有功、无功、视在功率。 ATT7022B集成了六路Σ-ΔAD转换电路,参考电压电路以 及所有功率、电量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信 号处理电路;能够测量各相以及合相的有功、无功、视在功率、 有功、无功电量;支持全数字域的增益、相位教正,即软件校 表;充分满足三相复费率多功能电能表的需求。有功无功电能 输出脉冲输出CF1、CF2,提供瞬时有功无功功率信息,可以 直接接到标准表,进行误差教正。ATT7022B可以对基波有功 无功功率进行测量,提供脉冲输出CF3、CF4,提供瞬时有功 无功功率信息,直接用于基波的教正。提供两类视在能量输出

:RMS视在能量和PQS视在能量。CF3、CF4也可被配置成视 在能量脉冲输出。 ATT7022B的第七路AD转换电路可用于防窃电。ATT702 2B提供一个SPI接口,方便与外部MCU之间进行计量参数与校 表参数的传递,所以参数都可以由SPI接口读出。内部的电压测 量电路可以保证加电和断电时芯片正常工作。 ATT7022B为QFP44封装,图11是ATT7022B管脚定义图。 目前,ATT7022B主要应用于各型三相电子式多功能电能表,其 电能计量电路原理框图如图12所示。 2.7 AD73360:ADI公司6通道模拟输入、16位串行可编程A/D 转换芯片 AD73360是ADI公司推出的6通道模拟输入、同步采样的16 位串行可编程A/D转换芯片。由于采用Σ-ΔA/D转换原理,具有 良好的内置抗混叠性能,所以对模拟前端滤波器的要求不高, 用一阶RC低通滤波器就能满足要求。 AD73360采样率和输入

图11 ATT7022B管脚定义图 图12 ATT7022B电能计量电路原理框图

信号增益都是可编程的,采样率可分别设置为64K、32K、16K
和8K(输入时钟为16.384Hz时),增益可在0dB到38dB之间选 择,因而它既适合于大信号的应用,也适合于小信号的应用。 AD73360能保证6路模拟信号同时采样,且在变换过程中延 迟很小。AD73360还能多片级联使用,从而扩充模拟输入的通 道数。 AD73360有R-28和SU-44两种封装,图13分别是R-28与 SU-44封装的AD73360管脚定义图。有关AD73360芯片的详细 信息可参阅相关资料。 目前,AD73360主要应用于C型三相电子式多功能电能表, AD73360+Mega128(ATMEL公司MCU)以交流采样方式实 现表计的多项功能,其电能计量电路原理图如图14所示。 2.8 CS5451A:Cirrus Logic公司6通道模拟输入、16位串行 可编程A/D转换芯片

图14 AD73360电能计量电路原理图 图13 R-28与SU-44封装的AD73360管脚定义图

CS5451A是一种6通道模拟输入、同步采样的16位高集成度 Σ-ΔA/D转换芯片,可用于三相电能测量。CS5451A集成有6个 Σ-ΔA/D转换器、均分(Decimation)滤波器,1个四线串行接口 ,可直接连接电流互感器或分流器来测量电流,连接电阻分压 器或电压互感器来测量电压。该芯片的串行接口与微控制器或 DSP来进行通信,芯片复位后被初始化并可以执行全部功能。 采样频率为(XIN/1024)KHz或(XIN/2048)KHz(XIN=4.096MHz)。 如图15所示,CS5451A采用28引脚SSOP封装,供电电压 为:VA+ = +3 V, VA- = -2 V,VD+ = +3 V,电压偏差10%, 其中,内置充电电路可产生负电压供电;片内基准电压1.2V(25 ppm/℃),功耗23mW(VD+ = +3V)。有关CS5451A芯片的详细 信息可参阅相关资料。目前, CS5451A主要应用于E型表, CS5451A +H8S/2265(HITACHI公司MCU)以交流采样方 式实现表计的多项功能,其电能计量电路原理图如图16所示。

图15 CS5451A管脚定义图

图16 CS5451A电能计量电路原理图


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