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1、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 宁2006112三星科技有限公司1 1电子式电能表计量芯片原理与常用计量芯片简介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:u 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
2、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BL09325。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。2 2u 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
3、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1.00.5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3 3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。
4、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)-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-A/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-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-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；Cry-stal公司的CS5460，Atmel公司的A
5、T73C500、AT73C501和AT13C502系列产品等。4 4 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
6、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5 5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
7、、计量分时电能和需量、管理(如通过RS485、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；6 6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/
8、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公司公司ADE7751：片内故障检测型单相电能计量芯片：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1500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
9、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ADE7751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。7 7 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45Hz55Hz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。ADE7
10、751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。ADE7751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8 8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
11、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4V5之前，ADE7551一直保持在复位状态。同样，如果VDD降到4V5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公司公司ADE7755：脉冲输出型单相电能计量芯片：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
12、60Hz的IEC61036标准的要求。在1500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。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9 9图1 ADE7751管脚定义图图2 ADE7751电能计量电路原理图1010ADE7755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
13、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4V5之前，ADE7755一直保持在复位状态。同样，如果AVDD降到4V5以下，ADE7755也被复位，此时F
14、1、F2和CF没有输出。1111 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，ADE7755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公司公司ADE7752：脉冲输出型三相电能计量芯片：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1500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兼容三相三线连接和三相四线Y连接。ADE7752
15、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1212图4 ADE7755电能计量电路原理图图3 ADE7755管脚定义图1313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F
16、2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4V5之前，ADE7752一直保持在复位状态。同样，如果VDD降到4V5以下，ADE7752也被复位
17、，此时F1、F2和CF没有输出。1414 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，ADE775 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公司公司ADE7758：带：带SPI串行输出接口的脉冲输出型三相串行输出接口的脉冲输出型三相电能计量芯片电能计量芯片 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11000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
18、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）。1515图5 ADE7752管脚定义图图6 ADE7752电能计量电路原理图1616 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
19、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AVD
20、D上升到4V51717之前，ADE7758一直保持在复位状态。同样，如果AVDD降到4V5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()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
21、，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 珠海炬力公司珠海炬力公司ATT7023：带：带SPI串行输出接口的脉冲输出型串行输出接口的脉冲输出型单相电能计量芯片单相电能计量芯片 1818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 图7 ADE7758管脚定义图1919 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11000的动态范围内误差小
22、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2.5V8(温度系数典型值30ppm/)，能为外部电路提供基准
23、。ATT7023内建8051兼容微处理器，存储器包括2K256Byte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 2020口电路包括UART、四线SPI接口、低功耗实时时钟模块、E2PROM接口、4Common40Segment 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，ATT7023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 珠海炬力公司珠海炬力
24、公司ATT7022B：带：带SPI串行输出接口的脉冲输出串行输出接口的脉冲输出型三相电能计量芯片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11000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,GB/T178831998；无功测量满足2级、3级，支持IEC62053-23,GB/T178821998。ATT7022B可测量基波、谐波电能以及总电能，有功、无2121图9 ATT7023管脚定义图图10 ATT7023电能计量电路原理框图2222功、视在功率测量，正、反向有功、无功电能测量；
25、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-AD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
26、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2323：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。ATT7022B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QFP4
27、4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公司公司6通道模拟输入、通道模拟输入、16位串行可编程位串行可编程A/D转换芯片转换芯片 AD73360是ADI公司推出的通道模拟输入、同步采样的16位串行可编程A/D转换芯片。由于采用-A/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2424图11 ATT7022B管脚定义图图12 ATT7022B电能计量电路原理框图 2525信号增益都是
28、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，AD73360Mega128（ATMEL公司MCU）以交流采样方式实现表计的多项功能，
29、其电能计量电路原理图如图14所示。2.8 CS5451A：Cirrus Logic公司公司6通道模拟输入、通道模拟输入、16位串行位串行可编程可编程A/D转换芯片转换芯片 2626图13 R-28与SU-44封装的AD73360管脚定义图 图14 AD73360电能计量电路原理图2727 CS5451A是一种6通道模拟输入、同步采样的16位高集成度-A/D转换芯片，可用于三相电能测量。CS5451A集成有6个-A/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
30、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(25ppm/)，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。2828图15 CS5451A管脚定义图2929图16 CS5451A电能计量电路原理图 3030