ADE7753---多费率全电子数字电能表芯片

作者Email: alecyan@public4.sta.net.cn ADE7753是ADI最新一款功能先进的数字电度表芯片，这是一种带串行接口和脉冲输出的高精度有功和视在能量计量的集成电路。它集成了二阶∑△ADCs、一个数字积分器(在CH1上)、一个参考电压源，一个温度传感器，能对电压、电流有效值(RMS)计算，有功、无功和视在能量的测量(图1)。实际上ADE7753是一个电能计量片上系统(SOC)的芯片。 图1 ADE7753内部困构 1 性能优良的内嵌数字积分器 ADE7753的片内数字积分器能以优良精度的数字积分作用, 实现在频域内，将－20dB/10倍频程衰减和一种固定的-90(相移作用。数字积分器的相频响应和幅频响应非常接近于理想情况。片内数字积分器提供直接接口到di/dt微分电流传感器，从而省去了外部的模拟积分器，因而保证极好的长时间稳定性，与高精度的电压、电流通道相位匹配。di/dt微分电流传感器彻底消除了锰铜分流器不能完全隔离、存在寄生电感的缺点，也消除了传统的电流互感器的相位误差和大电流时过饱和的缺点，而且成本非常低廉，是理想的新一代的电流传感器，有望在宽量程、大电流、高精度的电能表中据优势地位。基于电流传感器的选择，可以关断和打开这个积分器。 2 宽电流量程的di/dt微分电流传感器 di/dt微分电流传感器是基于Rogowski线圈原理，一个与传输初级电流的导线发生互感的电感器。Rogowski线圈通常由空芯线圈构成，因而在理论上不存在磁滞、饱和或非线性问题。Rogowski线圈电流传感器由环绕一根长直导线排列的匝数为N的矩形空心线圈组成，并且线圈与该导线中的电流所产生的磁场垂直。Rogowski线圈基本的工作原理是通过互感效应来检测初级电流。Rogowski 线圈的输出正比于电流对时间的导数，所以为了作进一步信号处理，需要使用一个数字积分器将di/dt信号还原成i(t) 形式。利用Rogowski线圈di/dt微分电流传感器和ADE7753芯片构成的家用电能表，其最大检测电流可达200A。这种新型的电能表设计在很多方面都优于用传统电流检测技术构成的电能表。在1000:1（60dB）如此宽的动态范围内其线性误差小于0.1%(图2)。 3 实用的电能监测、计量功能 ADE7753包含一个至少保持若干秒满负载累积功率的有功电能寄存器、视在电能寄存器和电压、电流有效值，可通过串行口读得ADE7753的数据。它同时提供一个与有功能量成比例的脉冲输出（CF）。除了有效值计算、有功和视在能量的信息外，ADE7753提供一个有符号的无功能量信息和各种各样的系统校准特点，比如：通道偏置校准、相位校准和能量校准。它还集成了一个检测线电压高低跌落的检测电路，可提前发出掉电和过压预警。 ADE7753具有可选正的累积模式，这样仅当检测到正能量时才进行能量的累积。当空载时，内部空载门限确保ADE7753没有输出。过零输出（ZX）产生与线电压过零同步的输出信号，ZX信号可用来测量线电压周期，它还用于芯片内部有功能量和视在能量的周期校准模式。这就能更快、更精确地校准能量计算结果。该信号也可以用于与线电压过零同步来切换继电器，防止拉弧。 中断请求输出是一种漏极开路的低电平有效逻辑输出。中断寄存器用来指示中断的种类，中断使能寄存器控制/IRQ脚的输出。 ADE7753采用20脚SSOP封装。 4 ADE7753主要性能特点 * 高精度，支持IEC61036 和 IEC61268 * 片内数字积分器，具有di/dt微分电流传感器接口 * 提供有功、无功、视在功率能量值，采样波形以及电压和电流有效值 * 在1000 ：1的动态范围内误差小于0.1% * 可选正有功能量有效累计 * 用户片内可设置的线电压浪涌阀值和线电压跌落检测 * 电源管理 * 能量、相位和输入偏移可数字校准 * 片内集成的温度传感器 （典型值%26;#177;3℃） * 与SPI兼容的串行接口 * 脉冲输出的频率可设置 * 拥有中断引脚（IRQ）和状态寄存器 * 在环境条件变化很大和长时间使用条件下，专利技术的模数转换器（ADCs）和数字信号处理器（DSP），确保数据的高精度 * 具有外部过驱动能力的基准电压源2.4V%26;#177;8% (温度系数典型值20ppm/℃) * 单5V电源,低功耗(典型值25mW) * 20脚SSOP封装 5 ADE7753 与 CS5460A 功能比较 ADE7753是2002年的新产品，与CS5460相比具有许多新的技术、新的特性，功能比较可见ADE7753 与 CS5460A 功能比较一览表。 单相电能计量芯片ADE7753 与 CS5460A 功能比较一览表 型 号 功 能 ADE7753 CS5460A 无功、视在能量寄存器 有 无 视在能量增益数字校对 有 无 正有功能量累计模式 有 无 内嵌温度传感器 有 无 整周期校对模式 有 无 线电压高低跌落检测 有 无 电压、电流峰过阀值报警 有 无 电压通道内嵌数字积分器 有 无 线电压过零输出信号脚 有 无 线电压过零超时寄存器 有 无 线电压周期寄存器 有 无 周期数可设置的能量累计模式 有 无 内嵌空载门限（硬件防潜动） 有 无 电压通道PGA可设置 1、2、4、6、8、16 1 电流通道PGA可设置 1、2、4、6、8、16 两档选择 通道最大差分输入值（mV） 500 250 内嵌基准电路 有 60（最大值） 基准电压温度系数（ppm/℃） 20（典型值） 有 兼容SPI接口 有 有 电流、电压有效寄存器 有 有 有功能量寄存器 有 有 /IRQ中断脚和状态寄存器　 有 有 电压通道偏移数字校准 有 有 电流通道偏移数字校准 有 有 相位数字补偿寄存器 有　 有 有功能量偏移、增益数字校准 有 有 线性度（动态范围1000：1） 0.1%　 0.1% 频率可编辑的输出脚（CF） 有 有 电源检测管理 有 有 6 使用ADE7753设计单相复费率电能表的参考方案 使用ADE7753来设计新一代的全电子数字复费率电能表是适合现代生活的需求，由于国家电力充沛和家庭用电量的猛增，电网寻求昼夜平衡的最佳销售方案是黑白分时计价，为此政府鼓励居民、企业夜间多用电，我国也与发达国家一样，正在大力推广黑白分时电价，双费率电能表成为电能表新的发展趋势和需求热点，上海市自2001年起，五年内需要600万台黑白复费率电能表；电能表的电流容量正在向大电流需求方向发展，今天美国家用电能表的电流检测范围从几个mA到200A，南美发展中国家--巴西也要求电能表的电流检测范围从几个mA到100A。现有的电能表电流传感器--低阻锰铜分流器、电流互感器和霍尔效应传感器已经不能满足这样大跨度范围采集的需要，一个体格小巧而对大小电流参数都能及时采集的新型电流传感器已经成为当今电能表发展的需要。内嵌数字积分器和具有众多的实用电能监测、计量功能，使ADE7753成为新一代高性能全数字电能表的理想芯片。 图3 使用ADE7753设计单相复费率电能表的方案由原理图 图3是可供参考的使用ADE7753设计单相复费率电能表的方案电原理图。