多功能電力儀表計(jì)量芯片

2 電能計(jì)量芯片
    SA9904B是南非微電子系統(tǒng)有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一種電能計(jì)量芯片，ATY7026A是珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司開發(fā)的電能計(jì)量芯片，CS5463是美國CRYSTAL公司推出的帶有串行接口的單相雙向功率／電能計(jì)量集成電路芯片。這三者都用于三相多功能電能計(jì)量，均適用于三相三線制的具有50 Hz或60 Hz標(biāo)準(zhǔn)頻率的電網(wǎng)，支持電阻網(wǎng)絡(luò)校表和軟件校表兩種方式。由于電能計(jì)量、參數(shù)測量和數(shù)據(jù)讀取是電能芯片的核心部分。下面主要從有功計(jì)量、無功計(jì)量、視在功率／電能計(jì)量、有效值測量、中斷和SPI接口6個(gè)方面介紹芯片原理。
2．1 SA9904B簡介
    SA9904B有20個(gè)引腳，PDIP封裝，12個(gè)元暫存器。SA9904B包含9個(gè)代表各相的有功電能、無功電能與電源電壓的24位元暫存器。第10個(gè)24位元暫存器代表任何有效相位的市頻，包含3個(gè)位址以保存與SA9604A的兼容性。3個(gè)位址的任何其一可用于存取頻率暫存器。每相位的有功與無功功率被積存于24位元暫存器。被測電路的電能或功率不直接提供給用戶，但是可以通過公式計(jì)算。計(jì)算每相的有功或無功電能：電能每計(jì)數(shù)=(VRATED×IRATED)／320 000；計(jì)算每相的有功或無功功率：功率=VRATED×IRATED×N／INTTIME／320 000。其中：VRATED為電表的額定電源電壓，IRATED為電表的額定電源電流，N=相繼讀數(shù)間的暫存器數(shù)值差數(shù)(△值)，INTTIME為相繼讀數(shù)間的時(shí)間差值(單位為秒)。若要求合相有功電能，只能通過程序?qū)θ嘤泄﹄娔芮蠛停蛲ㄟ^有功功率脈沖輸出F50計(jì)數(shù)。芯片內(nèi)的3個(gè)電壓暫存器包含各相位測得的RMS電壓值．用戶可以直接從暫存器中讀取。SA9904B不具有中斷功能。串行周邊的接口匯流排(SPI)為一同步匯流排，使用于微控器與SA9904B之間的數(shù)據(jù)傳輸。引腳D0(串行數(shù)據(jù)出端)，DI(串行數(shù)據(jù)入端)，CS(芯片選項(xiàng))與SCK(串行時(shí)脈)用于此匯流排的應(yīng)用。SA9904B為從器件，而微控器為匯流排主器件。CS輸入啟始與終止數(shù)據(jù)傳輸。SCK信號(hào)(微控器發(fā)送的)選通微控器與SA9904B的SCK引腳間的數(shù)據(jù)。DI與DO引腳為SA9904B的串行數(shù)據(jù)輸入與輸出引腳。
2．2 ATT7026A簡介
    ATT7026A 44個(gè)引腳，QFP44封裝，102個(gè)寄存器翻。有功功率通過求瞬時(shí)功率代數(shù)均值獲得。分相、合相有功功率分別存入指定寄存器，供用戶讀取。無功功率是通過將電壓采樣信號(hào)作一90°相移，再求瞬時(shí)功率的代數(shù)均值獲得。分相、合相無功功率同樣提供給用戶。芯片中有電能累加寄存器，能夠提供分相、合相有功、無功電能，但不提供電網(wǎng)周期累加模式。芯片通過能量脈沖生成器，提供校表脈沖CFl和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的低頻脈沖F1／F2。由于芯片提供電流和電壓有效值，用戶也可用公式S=VRMS×IRMS，通過MCU計(jì)量分相、合相視在功率。有效值測量通過對(duì)電壓、電流的采樣數(shù)據(jù)求均方值實(shí)現(xiàn)。能夠同時(shí)計(jì)算6通道的有效值，結(jié)果存在指定的寄存器中供用戶讀取。此外，芯片不僅提供分相電流、電壓有效值．還提供三相電流、電壓矢量和的有效值，用戶可在指定寄存器中讀取。ATT7026A不具有中斷功能。芯片內(nèi)部集成了SPI串行通信接口，使用2條控制線和2條數(shù)據(jù)線。更新校表數(shù)據(jù)寄存器的命令字為：最高兩位是10，低6位是校表寄存器的地址；寫特殊命令字操作(配合軟件校表)的命令字為：最高2位是11，低6位是特殊命令字的類型。芯片提供清校表數(shù)據(jù)、校表數(shù)據(jù)讀出、校表數(shù)據(jù)寫使能、軟件復(fù)位共4種特殊命令。
2．3 CS5463簡介
    CS5463有24引腳，SSOP封裝，32個(gè)寄存器。采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量，把每對(duì)瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時(shí)有功功率的采樣值。每個(gè)A／D采樣周期后．新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器，N個(gè)瞬時(shí)功率采樣值為一組，每組的值累加和用于計(jì)算以后放在能量寄存器中的數(shù)值，它與電路在N個(gè)A／D轉(zhuǎn)換周期中的有功功率值成正比。同樣原理，電壓和電流有效值也利用最近的N個(gè)瞬態(tài)電壓、電流采樣值計(jì)算，并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。視在功率可以在視在功率寄存器中直接讀取，也可以對(duì)E2輸出的與視在功率成正比的脈沖進(jìn)行計(jì)量得出。CS5463帶有中斷功能。中斷處理流程為：讀狀態(tài)寄存器→禁止所有中斷→轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷處理程序→將讀出的值寫回，以清除狀態(tài)寄存器→重新開中斷→從中斷處理程序中返回。CS5463的串行口包括4條控制線：CS、SDI、SDO、SCLK，如果片選CS直接與邏輯O相連接，則只需要3條線就可以完成串行口的操作。一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸總是從向串行接口的SDI發(fā)送8位命令開始，當(dāng)命令中包括一個(gè)寫入操作時(shí)，在其后的24個(gè)SCLK周期內(nèi)，串口將持續(xù)從SDI引腳讀入串行數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)出一個(gè)讀取命令時(shí)，串口將根據(jù)發(fā)出的命令，在其后的8、16、24個(gè)SCLK周期從SD0引腳上串行輸出寄存器內(nèi)容。

3 性能指標(biāo)比較
    SA9904B，ATT7026A及CS5463都具有功能強(qiáng)大，軟件、硬件實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)量精度高，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于電能測量控制領(lǐng)域。但在性能、指標(biāo)方面仍存在較大差別。
3．1 精度
    (1)SA9904B符合IEC 61036一級(jí)交流電能表的規(guī)定要求，符合IEC 61268二級(jí)VAR時(shí)數(shù)電表的規(guī)定要求。RMS電壓的測量精度為1％，有功功率的測量精度為1．0級(jí)。適合做三相的有功和無功儀表，在做三相多功能表時(shí)測量精度有待加強(qiáng)。
    (2)ATT7026A有功電能計(jì)量滿足1級(jí)、0．15級(jí)。符合IEC687／1036和GB／T1721521998標(biāo)準(zhǔn)。無功電能計(jì)量滿足2級(jí)、3級(jí)，符合IECl268和GB／T1788221999標(biāo)準(zhǔn)。有功、無功電能計(jì)量在1000：l的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差均小于O．11％?？删_測量至含21次諧波的有功、無功和視在功率。電壓通道輸入10—1 000 mV時(shí)，有效值誤差小于叭5％。電流通道輸入2～l000 mV時(shí)，有效值誤差小于0．15%。線電壓頻率測量范圍10~500 Hz。
    (3)CS5463 CS5463的精度較高，符合IEC，ANSI，JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電能數(shù)據(jù)線性度在1 000：1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)為±0．1％，電能計(jì)量精度：在300：1動(dòng)態(tài)范圍以上每秒讀取0．1％；電壓測量精度：讀數(shù)的O．1％；電流測量精度：讀數(shù)的0．1％：瞬時(shí)功率測量精度：讀數(shù)的0．1％。
3．2 電氣參數(shù)
    (1)SA9904B 單±5 V或±2．5 V供電，VDD=2．5 V，VSS=一2．5 V，IDDmax=11 mA，時(shí)鐘3．5795 MHz，電流感應(yīng)輸入范圍一25～+25μA。
    (2)ATT7026A 單+5 V供電，VDD=3．OV，IDDmax=28 mA，時(shí)鐘為24．576 MHz，VRER=2．4V，電流、電壓通道最大輸入差分電壓±1．5 V。
    (3)CS5463 單+5 V或±2.5 V供電，VDD=2．5 V，VREF=2.4 V，時(shí)鐘為4．096MHz，電流、電壓通道最大輸入差分電壓±o．15V。
3．3 工作環(huán)境
    (1)SA9904B 其工作溫度范圍為一10℃~+70℃。
    (2)ATT7026A 其工作溫度范圍為一40℃~+85℃。
    (3)CS5463 其工作溫度范圍為一40℃～+85℃。
3．4 運(yùn)算時(shí)間
    (1)SA9904B 內(nèi)部2個(gè)16位二階的∑一△A／D轉(zhuǎn)換器，以1．7 897 MHz的速度采樣。24位元暫存器在額定條件下于320K／s采樣。
    (2)ATT7026A 16位A／D轉(zhuǎn)換器采樣速率3．2 kHz．當(dāng)復(fù)位引腳低電平大于20μs時(shí)，器件進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，功率寄存器、有效值寄存器、功率因數(shù)寄存器、電流電壓相角寄存器更新時(shí)間為l／3 s，第一次上電需650 ms才能有正確值。
    (3)CS5463 24位△一∑調(diào)制器以MCLK／8 S／s的速度進(jìn)行采樣。當(dāng)復(fù)位引腳低電平大于50 ns時(shí)，芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，溫度傳感器每560 ms更新一次，狀態(tài)傳感器每4 kHz更新一次。
3．5 計(jì)量參數(shù)
    (1)SA9904B雙向有功與無功功率／電能測量．RMS電源電壓與頻率。
    (2)ATT7026A分相／合相有功、無功功率／電能，分相／合相視在功率，功率因數(shù)，相角，線電壓頻率，分相／三相電壓、電流有效值。
    (3)CS5463 瞬時(shí)電壓，電流和功率；IRMS和VRMS，視在功率，有功和無功功率；有功的基波和諧波功：無功的基波功率，功率因數(shù)，頻率。
3．6 監(jiān)控能力
    (1)SA9904B斷相／相序錯(cuò)誤故障檢測。

    (2)ATY7026A電源／啟動(dòng)電流／功率反向監(jiān)控，相序／失壓/硬件端口檢測。
    (3)CS5463 電源／功率反向監(jiān)控，欠流／過壓／欠壓／掉電監(jiān)測。
3．7 中斷
    (1)SA9904B 無中斷事件發(fā)生
    (2)ATT7026A無中斷事件發(fā)生
    (3)CS5463 過壓、過流、電壓／電流有效值超出其范圍、電能超值、溫度／電壓／電流通道調(diào)制器檢測、欠壓或電力故障。

4 結(jié)語
    著重介紹了SA9904B，ATT7026A，CS5463等三相高精度電能計(jì)量芯片的原理，隨后比較了芯片的性能指標(biāo)。SA9904B提供有功、無功電能，但不提供視在功率和相角等參數(shù)，且測量精度不高；ATT7026A提供各分相、合相參數(shù)，但不具有中斷功能；CS5463不但提供各種計(jì)量參數(shù)，而且提供中斷，可以從串行EEPROM智能“自引導(dǎo)”，不需要微控制器，更有低于12 mW的超低功耗。在工程應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)各芯片不同的性能指標(biāo)并結(jié)合實(shí)際需要合理選擇電能芯片。