电能计量芯片

电能计量芯片电能计量芯片 ADE7755是ADI公司生产的一款用于电能计量的芯片，其技术指标超过了IEC1036 规定的准确度要求[7]。 它将有功功率的信息以频率的形式输出。 在50 / 60Hz 输入信 号时都能满足IEC687 / 1036标准规定的测试精度要求，在1000：1的输入动态范围 内，测试误差小于 0.1%。其功能框图如图3.1所示，实物图如图3.2所示。 图3.1 ADE7755功能框图 图 3.2 ADE7755 芯片实物图 3.13.1 ADE7755ADE7755 的特点的特点 ADE7755 应用了过采样ADC和DSP相结合的技术，对温度的敏感度很低，即 使在很高的环境温度下也能维持较高的测试精度。ADE7755只在ADC和基准源中使 用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使其在恶劣 的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。 其主要特点如下： （1）工作温度范围－40～85℃。 （2）低阈值启动，启动电流小于 0.2%Ib。 （3）低成本 CMOS 工艺。 （4）片内设有电源监控电路。 （5）片内带有防潜动功能（空载阈值）。 （6）片内带有抗混叠滤波器。 （7）+5V 单电源、低功耗（典型值 15mW）。 （8）具有负功率或错线指示功能。 （9）5V 单电源工作，正常工作时芯片功耗 30Mw。 （10）1Vpeak-peak 的最大模拟信号输入范围。 （11）电流通道具有 1/2/8/16 四种增益选择，以便灵活选用不同大小的锰铜采 样电阻。 （12）2.5V 片内高精度参考电压源，绝对偏差小于!4%，温漂小于!20ppm/℃。 （13）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。 （14）带有电源电压检测功能，当电源电压降低到 80％VDD 时芯片自动复位。 （15）灵活的模拟信号输入电路，既可单端输入也可全差分输入并且输入共模 电压可在 0V 和2V 之间选择，由管脚 SCOM 控制。 （16）有功功率平均值从 ADE7755 引脚 F1 和 F2 以频率方式输出，且F1、F2 能直接驱动步进电机。 （17）有功功率瞬时值从引脚 CF 以较高频率方式输出,能用于仪表校验;逻辑 输出引脚 REVP 能指示负功率或错线;FI 和 F2 能直接驱动机电式计度 器和两相步进电机;电流通道中的可编程增益放大器（PGA）使仪表能使 用小阻值的分流电阻。 3.2 ADE77553.2 ADE7755 工作原理工作原理 ADE7755 内部拥有两个 16 位的二阶∑-△模数转换器，这两个 ADC 对来自电流 和电压传感器的电压信号进行数字化，过采样速率达 900KHz。AD7755 的模拟 输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口(可以与传感器直接连接)，也 简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道 PGA 进一步简化了传感器接口。电流通 道中的 HPF 滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造 成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出米的，瞬时 功率信号是用电流和电压信号直接干相乘得到的。为了得到有功功率分量 (即直 流分量)， 只要刘瞬时功率信号进行低通滤波就行了。 图 3.3 示出了瞬时有功功率 信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率， 这个设计方案也能 正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。 所有的信号 处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。 ADE7755 工作原理 若电压 U(t)和电流 I(t)均为正弦波，且： 则瞬时功率 P(t)为 平均功率 P 为： ADE7755 是一种采用电压和电流直接相乘的方法得到瞬时有功功率，再由瞬时有功功率求 出平均有功功率。 如图 2 所示， 由电压传感器和电流传感器得到电压和电流信号分别经两路 A/D 转换器转换成数字信号送入电压通道 V2N、V2P 和电流通道 V1N、V1P。电流通道中的高 通滤波器是用来滤除电流分量中的直流电流， 以便减小电流直流分量对瞬时有功功率计算的 影响。 经滤波后的电压和电流信号经乘法器相乘后， 所得的信号经低通滤波器后滤掉交流分 量后， 得到的直流分量就是瞬时有功功率。 此信号经过数频转换器转换成与平均有功功率成 正比的低频信号经过 F1、 F2 端口输出， 同时从高频口 CF 输出与瞬时有功功率成正比的脉冲 信号。 低频端口 F1 和 F2 的输出脉冲频率 freq 与高频端口 CF 输出脉冲频率 fCF 可由下式确 定： ADE7755 的外围电路中，通过输出频率设置电路实现对CF 口输 出频率的设置，即电表常数的设置。本电表的电表常数设定为 3200imp/kwh， 即计录一千瓦的功率， 要求 ADE7755 在 CF 口输出 3200 个脉冲。 图 3.3 信号处理框图 AD7755 的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生， 即在两个输出脉冲 之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率 信息进一步被累加(例如通过计度器累加)，就能获得电能计量信息。CF 输出的频率 较高，累加时间较短，因此CF 输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条 件下进行系统校验是很有用的。 3.33.3 模拟输入模拟输入 模拟输入是电能计量芯片对用电线路电压、电流信号进行采集的部分，包括电 流通道和电压通道。 3.3.1 通道 1（电流通道） 线路电流传感器的输出电压接到 AD7755 的通道 V1， 该通道采用完全差动输入， V1P 为正输入端，V1N 为负输入端。通道 1 的最大差动峰值电压应小于 470mV(纯正弦 电压有效值为 330mV)。应当注意，通道1 有一个 PGA，其增益可由用户选择为l，2， 8 或 16(见表 3.1)，这使传感器的接口设计大为简单。 表 3.1通道 1 的增益选择 G1 0 0 1 1 G0 0 1 0 1 增益 4 2 8 16 最大差动信号 ±470mV ±235mV ±60mV ±30mV 表3.1示出了V1P和V1N引脚的最大差动电压是470mV， 由增益选择而定。 在这两引 脚上的差动信号必须以同一个共模端作为参考点，如AGND，最大共模信号为100mV， 如图3.4所示。 图 3.4 通道 1 的最大信号电平（G=1） 3.3.2 通道 2（电压通道） 线路电压传感器的输出接到AD7755的通道V2，该通道的最大差动峰值电压为± 660mV，图3.5示出了允许连接到AD7755通道2的最大信号电平。 图 3.5 通道 2 的最大信号电平 加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点(通常是AGND)， 最大 共模电压为100mV。然而，当共模电压为0V时能获得最好的测量结果。 3.4 ADE77553.4 ADE7755 的测试曲线的测试曲线 ADE7755 支持频率 50Hz/60Hz 准确度要求，在 500:1 的动态范围内误差小于 0.1%，其技术指标超过了 IEC1036 规定的准确度要求；电流通道具有 1/2/8/16 四 种增益选择，