ADE7753---多費率全電子數(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量的集成電路。它集成了二階∑△ADCs、一個數(shù)字積分器(在CH1上)、一個參考電壓源，一個溫度傳感器，能對電壓、電流有效值(RMS)計算，有功、無功和視在能量的測量(圖1)。實際上ADE7753是一個電能計量片上系統(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和幅頻響應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，因而保證極好的長時間穩(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，也消除了傳統(tǒng)的電流互感器的相位誤差和大電流時過飽和的缺點，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)勢地位。基于電流傳感器的選擇，可以關(guān)斷和打開這個積分器。

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，一個與傳輸初級電流的導線發(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、飽和或非線性問題。Rogowski線圈電流傳感器由環(huán)繞一根長直導線排列的匝數(shù)為N的矩形空心線圈組成，并且線圈與該導線中的電流所產(chǎn)生的磁場垂直。Rogowski線圈基本的工作原理是通過互感效應來檢測初級電流。Rogowski 線圈的輸出正比于電流對時間的導數(shù)，所以為了作進一步信號處理，需要使用一個數(shù)字積分器將di/dt信號還原成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，其最大檢測電流可達200A。這種新型的電能表設(shè)計在很多方面都優(yōu)于用傳統(tǒng)電流檢測技術(shù)構(gòu)成的電能表。在1000:1（60dB）如此寬的動態(tài)范圍內(nèi)其線性誤差小于0.1%(圖2)。

3 實用的電能監(jiān)測、計量功能

ADE7753包含一個至少保持若干秒滿負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，可通過串行口讀得ADE7753的數(shù)據(jù)。它同時提供一個與有功能量成比例的脈沖輸出（CF）。除了有效值計算、有功和視在能量的信息外，ADE7753提供一個有符號的無功能量信息和各種各樣的系統(tǒng)校準特點，比如：通道偏置校準、相位校準和能量校準。它還集成了一個檢測線電壓高低跌落的檢測電路，可提前發(fā)出掉電和過壓預警。

ADE7753具有可選正的累積模式，這樣僅當檢測到正能量時才進行能量的累積。當空載時，內(nèi)部空載門限確保ADE7753沒有輸出。過零輸出（ZX）產(chǎn)生與線電壓過零同步的輸出信號，ZX信號可用來測量線電壓周期，它還用于芯片內(nèi)部有功能量和視在能量的周期校準模式。這就能更快、更精確地校準能量計算結(jié)果。該信號也可以用于與線電壓過零同步來切換繼電器，防止拉弧。

中斷請求輸出是一種漏極開路的低電平有效邏輯輸出。中斷寄存器用來指示中斷的種類，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

* 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的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%

* 可選正有功能量有效累計   

* 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

* 電源管理

* 能量、相位和輸入偏移可數(shù)字校準

* 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時間使用條件下，專利技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）和數(shù)字信號處理器（DSP），確保數(shù)據(jù)的高精度

* 具有外部過驅(qū)動能力的基準電壓源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ADE7753 與 CS5460A 功能比較一覽表。

單相電能計量芯片ADE7753 與 CS5460A 功能比較一覽表

6 使用ADE7753設(shè)計單相復費率電能表的參考方案

使用ADE7753來設(shè)計新一代的全電子數(shù)字復費率電能表是適合現(xiàn)代生活的需求，由于國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計價，為此政府鼓勵居民、企業(yè)夜間多用電，我國也與發(fā)達國家一樣，正在大力推廣黑白分時電價，雙費率電能表成為電能表新的發(fā)展趨勢和需求熱點，上海市自2001年起，五年內(nèi)需要600萬臺黑白復費率電能表；電能表的電流容量正在向大電流需求方向發(fā)展，今天美國家用電能表的電流檢測范圍從幾個mA到200A，南美發(fā)展中國家--巴西也要求電能表的電流檢測范圍從幾個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傳感器已經(jīng)不能滿足這樣大跨度范圍采集的需要，一個體格小巧而對大小電流參數(shù)都能及時采集的新型電流傳感器已經(jīng)成為當今電能表發(fā)展的需要。內(nèi)嵌數(shù)字積分器和具有眾多的實用電能監(jiān)測、計量功能，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)計單相復費率電能表的方案由原理圖

    圖3是可供參考的使用ADE7753設(shè)計單相復費率電能表的方案電原理圖。