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电能计量芯片汇总


电能计量 SA9904B, 1 引言新型集成芯片不仅精确度高,而且硬件软件设计简单性价比高 1 引言 新型集成芯片不仅精确度高,而且硬件软件设计简单、性价比高。着重介绍 SA9904B,ATT7026A 及 CS5463 3 种三相电能计量芯片的工作原理,比较其 性能指标,为合理选择电能芯片提供了有力的帮助。 2 电能计量芯片 SA9904B 是南非微电子系统有限公司设计开发的一种电能计量芯片, ATY7026A 是珠海炬力集成电路设计有限公司开发的电能计量芯片, CS5463 是 美国 CRYSTAL 公司推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路 芯片。这三者都用于三相多功能电能计量,均适用于三相三线制的具有 50 Hz 或 60 Hz 标准频率的电网,支持电阻网络校表和软件校表两种方式。由于电能 计量、参数测量和数据读取是电能芯片的核心部分。下面主要从有功计量、无功 计量、视在功率/电能计量、有效值测量、中断和 SPI 接口 6 个方面介绍芯片 原理。 2.1 SA9904B 简介 SA9904B 有 20 个引脚,PDIP 封装,12 个元暂存器。SA9904B 包含 9 个代 表各相的有功电能、无功电能与电源电压的 24 位元暂存器。第 10 个 24 位元暂 存器代表任何有效相位的市频,包含 3 个位址以保存与 SA9604A 的兼容性。3 个位址的任何其一可用于存取频率暂存器。每相位的有功与无功功率被积存于 24 位元暂存器。被测电路的电能或功率不直接提供给用户,但是可以通过公式 计算。计算每相的有功或无功电能:电能每计数=(VRATED×IRATED)/320 000; 计算每相的有功或无功功率: 功率=VRATED×IRATED×N/INTTIME/320 000。 VRATED 为电表的额定电源电压, IRATED 为电表的额定电源电流, 其中: N=相继读数间的暂存器数值差数(△值),INTTIME 为相继读数间的时间差值(单 位为秒)。若要求合相有功电能,只能通过程序对三相有功电能求和,或通过有 功功率脉冲输出 F50 计数。 芯片内的 3 个电压暂存器包含各相位测得的 RMS 电 压值.用户可以直接从暂存器中读取。SA9904B 不具有中断功能。串行周边的 接口汇流排(SPI)为一同步汇流排,使用于微控器与 SA9904B 之间的数据传输。 引脚 D0(串行数据出端),DI(串行数据入端),CS(芯片选项)与 SCK(串行时脉) 用于此汇流排的应用。SA9904B 为从器件,。而微控器为汇流排主器件。CS 输入启始与终止数据传输。SCK 信号(微控器发送的)选通微控器与 SA9904B 的 SCK 引脚间的数据。DI 与 DO 引脚为 SA9904B 的串行数据输入与输出引脚。 2.2 ATT7026A 简介 ATT7026A 44 个引脚,QFP44 封装,102 个寄存器翻。有功功率通过求瞬时 功率代数均值获得。分相、合相有功功率分别存入指定寄存器,供用户读取。。 无功功率是通过将电压采样信号作一 90°相移,再求瞬时功率的代数均值获得。 分相、 合相无功功率同样提供给用户。 芯片中有电能累加寄存器, 能够提供分相、 合相有功、无功电能,但不提供电网周期累加模式。芯片通过能量脉冲生成器, 提供校表脉冲 CFl 和驱动步进电机的低频脉冲 F1/F2。由于芯片提供电流和电 压有效值,用户也可用公式 S=VRMS×IRMS,通过 MCU 计量分相、合相视在 功率。有效值测量通过对电压、电流的采样数据求均方值实现。能够同时计算 6 通道的有效值,结果存在指定的寄存器中供用户读取。此外,芯片不仅提供分相 电流、电压有效值.还提供三相电流、电压矢量和的有效值,用户可在指定寄存

器中读取。ATT7026A 不具有中断功能。芯片内部集成了 SPI 串行通信接口, 使用 2 条控制线和 2 条数据线。更新校表数据寄存器的命令字为:最高两位是 10, 6 位是校表寄存器的地址; 低 写特殊命令字操作(配合软件校表)的命令字为: 最高 2 位是 11,低 6 位是特殊命令字的类型。芯片提供清校表数据、校表数据 读出、校表数据写使能、软件复位共 4 种特殊命令。 2.3 CS5463 简介 CS5463 有 24 引脚,SSOP 封装,32 个寄存器。采样得到瞬态电压和电流 的数字量,把每对瞬态电压和电流的数据相乘,得到瞬时有功功率的采样值。 每 个 A/D 采样周期后.新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器,N 个瞬时功率采 样值为一组,每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值,它与电路 在 N 个 A/D 转换周期中的有功功率值成正比。同样原理,电压和电流有效值 也利用最近的 N 个瞬态电压、电流采样值计算,并可从 RMS 电压和电流寄存器 中读出。视在功率可以在视在功率寄存器中直接读取,也可以对 E2 输出的与视 在功率成正比的脉冲进行计量得出。CS5463 带有中断功能。中断处理流程为: 读状态寄存器→禁止所有中断→转向相应的中断处理程序→将读出的值写回, 以 CS5463 的串行口包括 清除状态寄存器→重新开中断→从中断处理程序中返回。 4 条控制线:CS、SDI、SDO、SCLK,如果片选 CS 直接与逻辑 O 相连接,则 只需要 3 条线就可以完成串行口的操作。 一个数据的传输总是从向串行接口的 。 SDI 发送 8 位命令开始,当命令中包括一个写入操作时,在其后的 24 个 SCLK 周期内,串口将持续从 SDI 引脚读入串行数据。当发出一个读取命令时,。串 口将根据发出的命令,在其后的 8、16、24 个 SCLK 周期从 SD0 引脚上串行输 出寄存器内容。

3 性能指标比较
SA9904B,ATT7026A 及 CS5463 都具有功能强大,软件、硬件实现方便,。 计量精度高,价格便宜等优点,广泛适用于电能测量控制领域。但在性能、指标 方面仍存在较大差别。 3.1 精度 (1)SA9904B 符合 IEC 61036 一级交流电能表的规定要求,符合 IEC 61268 二级 VAR 时数电表的规定要求。RMS 电压的测量精度为 1%,有功功率的测量 精度为 1.0 级。适合做三相的有功和无功仪表,在做三相多功能表时测量精度 有待加强。 (2)ATT7026A 有功电能计量满足 1 级、0.15 级。符合 IEC687/1036 和 GB/T1721521998 标准。无功电能计量满足 2 级、3 级,符合 IECl268 和 GB /T1788221999 标准。有功、无功电能计量在 1000:l 的动态范围内误差均小 于 O.11%。可精确测量至含 21 次谐波的有功、无功和视在功率。电压通道输 入 10—1 000 mV 时,有效值误差小于叭 5%。电流通道输入 2~l000 mV 时, 有效值误差小于 0.15%。线电压频率测量范围 10~500 Hz。 (3)CS5463 CS5463 的精度较高,符合 IEC,ANSI,JIS 工业标准。电能数 据线性度在 1 000:1 动态范围内为±0.1%,电能计量精度:在 300:1 动态范 围以上每秒读取 0.1%;电压测量精度:读数的 O.1%;电流测量精度:读数 的 0.1%:瞬时功率测量精度:。读数的 0.1%。

3.2 电气参数 (1)SA9904B 单±5 V 或±2.5 V 供电,VDD=2.5 V,VSS=一 2.5 V, IDDmax=11 mA,时钟 3.5795 MHz,电流感应输入范围一 25~+25μA。 (2)ATT7026A 单+5 V 供电,VDD=3.OV,IDDmax=28 mA,时钟为 24. 576 MHz,VRER=2.4V,电流、电压通道最大输入差分电压±1.5 V。 (3)CS5463 单+5 V 或±2.5 V 供电,VDD=2.5 V,VREF=2.4 V,时钟为 4. 096MHz,电流、电压通道最大输入差分电压±o.15V。 3.3 工作环境 (1)SA9904B 其工作温度范围为一 10℃~+70℃。 (2)ATT7026A 其工作温度范围为一 40℃~+85℃。 (3)CS5463 其工作温度范围为一 40℃~+85℃。 3.4 运算时间 (1)SA9904B 内部 2 个 16 位二阶的∑一△A/D 转换器,以 1.7 897 MHz 的速度采样。24 位元暂存器在额定条件下于 320K/s 采样。 (2)ATT7026A 16 位 A/D 转换器采样速率 3.2 kHz.当复位引脚低电平大 于 20μs 时,器件进入复位状态,功率寄存器、有效值寄存器、功率因数寄存器、 电流电压相角寄存器更新时间为 l/3 s,第一次上电需 650 ms 才能有正确值。 (3)CS5463 24 位△一∑调制器以 MCLK/8 S/s 的速度进行采样。当复位引 脚低电平大于 50 ns 时,芯片进入复位状态,温度传感器每 560 ms 更新一次, 状态传感器每 4 kHz 更新一次。 3.5 计量参数 (1)SA9904B 双向有功与无功功率/电能测量.RMS 电源电压与频率。 (2)ATT7026A 分相/合相有功、无功功率/电能,分相/合相视在功率,功 率因数,相角,线电压频率,分相/三相电压、电流有效值。 (3)CS5463 瞬时电压,电流和功率;IRMS 和 VRMS,视在功率,有功和无 功功率;有功的基波和谐波功:无功的基波功率,功率因数,频率。 3.6 监控能力 (1)SA9904B 断相/相序错误故障检测。 (2)ATY7026A 电源/启动电流/功率反向监控,相序/失压/硬件端口检测。 (3)CS5463 电源/功率反向监控,欠流/过压/欠压/掉电监测。 3.7 中断 (1)SA9904B 无中断事件发生 (2)ATT7026A 无中断事件发生 (3)CS5463 过压、过流、电压/电流有效值超出其范围、电能超值、温度/ 电压/电流通道调制器检测、欠压或电力故障。

4 结语
着重介绍了 SA9904B,ATT7026A,CS5463 等三相高精度电能计量芯片的 原理,随后比较了芯片的性能指标。SA9904B 提供有功、无功电能,但不提供 ATT7026A 提供各分相、 视在功率和相角等参数, 且测量精度不高; 。 合相参数, 但不具有中断功能;CS5463 不但提供各种计量参数,而且提供中断,可以从串 行 EEPROM 智能“自引导”,不需要微控制器,更有低于 12 mW 的超低功耗。

在工程应用中, 用户可以根据各芯片不同的性能指标并结合实际需要合理选择电 能芯片。


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