ADE7753---多費(fèi)率全電子數(shù)字電能表芯片

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ADE7753是ADI最新一款功能先進(jìn)的數(shù)字電度表芯片，這是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計(jì)量的集成電路。它集成了二階∑△ADCs、一個(gè)數(shù)字積分器(在CH1上)、一個(gè)參考電壓源，一個(gè)溫度傳感器，能對(duì)電壓、電流有效值(RMS)計(jì)算，有功、無(wú)功和視在能量的測(cè)量(圖1)。實(shí)際上ADE7753是一個(gè)電能計(jì)量片上系統(tǒng)(SOC)的芯片。

圖1 ADE7753內(nèi)部困構(gòu)

1 性能優(yōu)良的內(nèi)嵌數(shù)字積分器

ADE7753的片內(nèi)數(shù)字積分器能以優(yōu)良精度的數(shù)字積分作用, 實(shí)現(xiàn)在頻域內(nèi)，將－20dB/10倍頻程衰減和一種固定的-90(相移作用。數(shù)字積分器的相頻響應(yīng)和幅頻響應(yīng)非常接近于理想情況。片內(nèi)數(shù)字積分器提供直接接口到di/dt微分電流傳感器，從而省去了外部的模擬積分器，因而保證極好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，與高精度的電壓、電流通道相位匹配。di/dt微分電流傳感器徹底消除了錳銅分流器不能完全隔離、存在寄生電感的缺點(diǎn)，也消除了傳統(tǒng)的電流互感器的相位誤差和大電流時(shí)過(guò)飽和的缺點(diǎn)，而且成本非常低廉，是理想的新一代的電流傳感器，有望在寬量程、大電流、高精度的電能表中據(jù)優(yōu)勢(shì)地位?；陔娏鱾鞲衅鞯倪x擇，可以關(guān)斷和打開(kāi)這個(gè)積分器。

2 寬電流量程的di/dt微分電流傳感器

 di/dt微分電流傳感器是基于Rogowski線圈原理，一個(gè)與傳輸初級(jí)電流的導(dǎo)線發(fā)生互感的電感器。Rogowski線圈通常由空芯線圈構(gòu)成，因而在理論上不存在磁滯、飽和或非線性問(wèn)題。Rogowski線圈電流傳感器由環(huán)繞一根長(zhǎng)直導(dǎo)線排列的匝數(shù)為N的矩形空心線圈組成，并且線圈與該導(dǎo)線中的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直。Rogowski線圈基本的工作原理是通過(guò)互感效應(yīng)來(lái)檢測(cè)初級(jí)電流。Rogowski 線圈的輸出正比于電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，所以為了作進(jìn)一步信號(hào)處理，需要使用一個(gè)數(shù)字積分器將di/dt信號(hào)還原成i(t) 形式。利用Rogowski線圈di/dt微分電流傳感器和ADE7753芯片構(gòu)成的家用電能表，其最大檢測(cè)電流可達(dá)200A。這種新型的電能表設(shè)計(jì)在很多方面都優(yōu)于用傳統(tǒng)電流檢測(cè)技術(shù)構(gòu)成的電能表。在1000:1（60dB）如此寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)其線性誤差小于0.1%(圖2)。

3 實(shí)用的電能監(jiān)測(cè)、計(jì)量功能

ADE7753包含一個(gè)至少保持若干秒滿負(fù)載累積功率的有功電能寄存器、視在電能寄存器和電壓、電流有效值，可通過(guò)串行口讀得ADE7753的數(shù)據(jù)。它同時(shí)提供一個(gè)與有功能量成比例的脈沖輸出（CF）。除了有效值計(jì)算、有功和視在能量的信息外，ADE7753提供一個(gè)有符號(hào)的無(wú)功能量信息和各種各樣的系統(tǒng)校準(zhǔn)特點(diǎn)，比如：通道偏置校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)和能量校準(zhǔn)。它還集成了一個(gè)檢測(cè)線電壓高低跌落的檢測(cè)電路，可提前發(fā)出掉電和過(guò)壓預(yù)警。

ADE7753具有可選正的累積模式，這樣僅當(dāng)檢測(cè)到正能量時(shí)才進(jìn)行能量的累積。當(dāng)空載時(shí)，內(nèi)部空載門限確保ADE7753沒(méi)有輸出。過(guò)零輸出（ZX）產(chǎn)生與線電壓過(guò)零同步的輸出信號(hào)，ZX信號(hào)可用來(lái)測(cè)量線電壓周期，它還用于芯片內(nèi)部有功能量和視在能量的周期校準(zhǔn)模式。這就能更快、更精確地校準(zhǔn)能量計(jì)算結(jié)果。該信號(hào)也可以用于與線電壓過(guò)零同步來(lái)切換繼電器，防止拉弧。

中斷請(qǐng)求輸出是一種漏極開(kāi)路的低電平有效邏輯輸出。中斷寄存器用來(lái)指示中斷的種類，中斷使能寄存器控制/IRQ腳的輸出。

ADE7753采用20腳SSOP封裝。

4 ADE7753主要性能特點(diǎn)

* 高精度，支持IEC61036 和 IEC61268

* 片內(nèi)數(shù)字積分器，具有di/dt微分電流傳感器接口

* 提供有功、無(wú)功、視在功率能量值，采樣波形以及電壓和電流有效值

* 在1000 ：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%

* 可選正有功能量有效累計(jì)   

* 用戶片內(nèi)可設(shè)置的線電壓浪涌閥值和線電壓跌落檢測(cè)

* 電源管理

* 能量、相位和輸入偏移可數(shù)字校準(zhǔn)

* 片內(nèi)集成的溫度傳感器 （典型值±3℃）

* 與SPI兼容的串行接口

* 脈沖輸出的頻率可設(shè)置

* 擁有中斷引腳（IRQ）和狀態(tài)寄存器

* 在環(huán)境條件變化很大和長(zhǎng)時(shí)間使用條件下，專利技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），確保數(shù)據(jù)的高精度

* 具有外部過(guò)驅(qū)動(dòng)能力的基準(zhǔn)電壓源2.4V±8% (溫度系數(shù)典型值20ppm/℃)

* 單5V電源,低功耗(典型值25mW)

* 20腳SSOP封裝

5 ADE7753 與 CS5460A 功能比較

ADE7753是2002年的新產(chǎn)品，與CS5460相比具有許多新的技術(shù)、新的特性，功能比較可見(jiàn)ADE7753 與 CS5460A 功能比較一覽表。

單相電能計(jì)量芯片ADE7753 與 CS5460A 功能比較一覽表

6 使用ADE7753設(shè)計(jì)單相復(fù)費(fèi)率電能表的參考方案

使用ADE7753來(lái)設(shè)計(jì)新一代的全電子數(shù)字復(fù)費(fèi)率電能表是適合現(xiàn)代生活的需求，由于國(guó)家電力充沛和家庭用電量的猛增，電網(wǎng)尋求晝夜平衡的最佳銷售方案是黑白分時(shí)計(jì)價(jià)，為此政府鼓勵(lì)居民、企業(yè)夜間多用電，我國(guó)也與發(fā)達(dá)國(guó)家一樣，正在大力推廣黑白分時(shí)電價(jià)，雙費(fèi)率電能表成為電能表新的發(fā)展趨勢(shì)和需求熱點(diǎn)，上海市自2001年起，五年內(nèi)需要600萬(wàn)臺(tái)黑白復(fù)費(fèi)率電能表；電能表的電流容量正在向大電流需求方向發(fā)展，今天美國(guó)家用電能表的電流檢測(cè)范圍從幾個(gè)mA到200A，南美發(fā)展中國(guó)家--巴西也要求電能表的電流檢測(cè)范圍從幾個(gè)mA到100A?，F(xiàn)有的電能表電流傳感器--低阻錳銅分流器、電流互感器和霍爾效應(yīng)傳感器已經(jīng)不能滿足這樣大跨度范圍采集的需要，一個(gè)體格小巧而對(duì)大小電流參數(shù)都能及時(shí)采集的新型電流傳感器已經(jīng)成為當(dāng)今電能表發(fā)展的需要。內(nèi)嵌數(shù)字積分器和具有眾多的實(shí)用電能監(jiān)測(cè)、計(jì)量功能，使ADE7753成為新一代高性能全數(shù)字電能表的理想芯片。

圖3 使用ADE7753設(shè)計(jì)單相復(fù)費(fèi)率電能表的方案由原理圖

    圖3是可供參考的使用ADE7753設(shè)計(jì)單相復(fù)費(fèi)率電能表的方案電原理圖。