多功能电力仪表计量芯片
2010-12-18 11:24:14
来源：《半导体器件应用》2009年6月刊
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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，ATT7026A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。这三者都用于三相功能电能计量，均适用于三相三线制的具有50Hz或60Hz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[1]。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[2]。计算每相的有功或无功电能：电能每计数=（VRATED×IRATED）/320000；计算每相的有功或无功功率：功率=VRATED×IRATED×N/INTTIME/320000。其中：VRATED为电表的额定电源电压，IRATED为电表的额定电源电流，N=相继读数间的暂存器数值差数（Δ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DO（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[3]。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-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CF1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，低6位是校表寄存器的地址；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[4]。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/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量近的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，以清除状态寄存器→重新开中断→从中断处理程序中返回。CS5463的串行口包括4条控制线：CS、SDI、SDO、SCL K，如果片选CS直接与逻辑0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SDO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[5]。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IEC1268和GB/T1788221999标准。有功、无功电能计量在1000∶1的动态范围内误差均小于0.11%。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10~1000mV时，有效值误差小于0.15%。电流通道输入2~1000mV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1000∶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0.1%；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+5V或±2.5V供电，VDD=2.5V，VSS=-2.5V，
IDDmax=11mA，时钟3.5795MHz，电流感应输入范围-25μA~
+25μA。
(2) ATT7026A 单+5V供电，VDD=3.0V，IDDmax=28mA，时钟为24.576MHz，VREF=2.4V，电流、电压通道最大输入差分电压±1.5V。
(3) CS5463 单+5V或±2.5V供电，VDD=2.5V，VREF=2.4V，时钟为4.069MHz，电流、电压通道最大输入差分电压±0.15V[6]。
3.3 工作环境
(1) SA9904B 其工作温度范围为-10℃~+70℃。
(2) ATT7026A 其工作温度范围为-40℃~+85℃。
(3) CS5463 其工作温度范围为-40℃~+85℃。
3.4 运算时间
(1) SA9904B 内部2个16位二阶的Σ-Δ A/D转换器，以1.7897MHz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3.2kHz，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1/3s，第一次上电需650ms才能有正确值。
(3) CS5463 24位Σ-Δ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50ns时，芯片进入复位状态，温度传感器每560ms更新一次，状态传感器每4kHz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) ATT7026A 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，但不提供视在功率和相角等参数，且测量精度不高；ATT7026A提供各分相、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12mW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。
参考文献
[1] 南非微电子系统有限公司. SPI 介面的三相功率/电能集成电路 SA9904B [EB/OL]. 2006. http://www.Hardware-PCB. Interface 120070319/bb.pdf.
[2] 陈仕高， 姜久春. 基于 SA9904B 的电力机车电度表的研究[J]. 国外电子测量技术， 2005，24(11):48-50.
[3] 珠海矩力集成电路有限公司. ATT7026 用户手册[EB/OL]. 2008. http://www.cnida.com/soft101/200801/6480.html.
[4] 中国IC网.CS5463[EB/OL]. 2008. http://www.ic37.com.
[5] 冯建勤， 路康. 新型微机式电流方向继电器研究[J]. 继电器， 2005，33(9):58-61，65.
[6] 李田雨， 金新民. CS5463 型电能测量电路的原理及应用[J]. 国外电子元器件， 2006(7):50-53.
转载自《电子设计工程》2009年第3期
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，ATT7026A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。这三者都用于三相功能电能计量，均适用于三相三线制的具有50Hz或60Hz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[1]。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[2]。计算每相的有功或无功电能：电能每计数=（VRATED×IRATED）/320000；计算每相的有功或无功功率：功率=VRATED×IRATED×N/INTTIME/320000。其中：VRATED为电表的额定电源电压，IRATED为电表的额定电源电流，N=相继读数间的暂存器数值差数（Δ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DO（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[3]。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-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CF1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，低6位是校表寄存器的地址；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[4]。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/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量近的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，以清除状态寄存器→重新开中断→从中断处理程序中返回。CS5463的串行口包括4条控制线：CS、SDI、SDO、SCL K，如果片选CS直接与逻辑0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SDO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[5]。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IEC1268和GB/T1788221999标准。有功、无功电能计量在1000∶1的动态范围内误差均小于0.11%。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10~1000mV时，有效值误差小于0.15%。电流通道输入2~1000mV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1000∶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0.1%；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+5V或±2.5V供电，VDD=2.5V，VSS=-2.5V，
IDDmax=11mA，时钟3.5795MHz，电流感应输入范围-25μA~
+25μA。
(2) ATT7026A 单+5V供电，VDD=3.0V，IDDmax=28mA，时钟为24.576MHz，VREF=2.4V，电流、电压通道最大输入差分电压±1.5V。
(3) CS5463 单+5V或±2.5V供电，VDD=2.5V，VREF=2.4V，时钟为4.069MHz，电流、电压通道最大输入差分电压±0.15V[6]。
3.3 工作环境
(1) SA9904B 其工作温度范围为-10℃~+70℃。
(2) ATT7026A 其工作温度范围为-40℃~+85℃。
(3) CS5463 其工作温度范围为-40℃~+85℃。
3.4 运算时间
(1) SA9904B 内部2个16位二阶的Σ-Δ A/D转换器，以1.7897MHz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3.2kHz，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1/3s，第一次上电需650ms才能有正确值。
(3) CS5463 24位Σ-Δ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50ns时，芯片进入复位状态，温度传感器每560ms更新一次，状态传感器每4kHz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) ATT7026A 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，但不提供视在功率和相角等参数，且测量精度不高；ATT7026A提供各分相、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12mW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。
参考文献
[1] 南非微电子系统有限公司. SPI 介面的三相功率/电能集成电路 SA9904B [EB/OL]. 2006. http://www.Hardware-PCB. Interface 120070319/bb.pdf.
[2] 陈仕高， 姜久春. 基于 SA9904B 的电力机车电度表的研究[J]. 国外电子测量技术， 2005，24(11):48-50.
[3] 珠海矩力集成电路有限公司. ATT7026 用户手册[EB/OL]. 2008. http://www.cnida.com/soft101/200801/6480.html.
[4] 中国IC网.CS5463[EB/OL]. 2008. http://www.ic37.com.
[5] 冯建勤， 路康. 新型微机式电流方向继电器研究[J]. 继电器， 2005，33(9):58-61，65.
[6] 李田雨， 金新民. CS5463 型电能测量电路的原理及应用[J]. 国外电子元器件， 2006(7):50-53.
转载自《电子设计工程》2009年第3期
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