CS5463型電能測量電路的原理及應(yīng)用

　　1 引言

　　CS5463是帶有串行接口和△-∑模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠進(jìn)行高速功率(電能)計(jì)算的高度集成電路。CS5463可以通過使用低成本的分壓電阻器或電壓互感器測量電壓，使用分流器或電流互感器測量電流，從而計(jì)算出有功功率，因此該電路特別適用于開發(fā)單相2線、3線用電表。與上代的CS5460相比，CS5463還能提供視在功率、無功功率等多種參數(shù)計(jì)算，可滿足設(shè)計(jì)者的多方面需求。此外，CS5463片內(nèi)還帶有溫度傳感器，有助于設(shè)計(jì)者調(diào)整溫度漂移誤差，提高測量精度。

　　2 CS5463的主要特點(diǎn)

　　CS5463的特性如下：

　　(1)電能數(shù)據(jù)在1000：l動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的線性度為±0.1%;

　　(2)精確測量瞬時(shí)電壓、電流、功率以及電壓、電流有效值;

　　(3)計(jì)算視在、有功和無功功率，基波有功、諧波功率和功率因數(shù);

　　(4)電能/脈沖轉(zhuǎn)換功能;

　　(5)低功耗(小于12 mW);

　　(6)單電源地參考信號(hào);

　　(7)內(nèi)置電源監(jiān)視器;

　　(8)從串行EEPROM“自引導(dǎo)”，可以不用微控制器;

　　(9)簡單的3線數(shù)字串行接口;

　　(10)優(yōu)化的分流電

　　阻器的輸入接口;

　　(11)帶有溫度傳感器;

　　(12)具有機(jī)械計(jì)數(shù)器/步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器

　　3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能

　　3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　CS5463的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由2個(gè)可編程增益放大器、2個(gè)△-∑調(diào)制器、配套的高速濾波器、功率計(jì)算引擎、偏置和增益校正、功率監(jiān)測、串行接口及相應(yīng)功能寄存器等組成。2個(gè)可編程放大器采集電壓和電流數(shù)據(jù)，△-∑調(diào)制器對(duì)模擬量采樣處理，高速數(shù)字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數(shù)字信號(hào)，功率計(jì)算引擎計(jì)算各類型的功率，電壓、電流，并將計(jì)算的功率值通過串行接口對(duì)外輸出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。該電路還有能量脈沖信號(hào)輸出模塊，可以直接外接計(jì)數(shù)器或步進(jìn)電機(jī)，從而省去微控制器而直接外送用電量，降低電表類產(chǎn)品的成本。

　　3.2 引腳功能

　　VA+/VA-：正負(fù)模擬電源，+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供電;

　　VD+/DGND：數(shù)字電源和數(shù)字地，+5V/0V供電;

　　PFMON：掉電監(jiān)視器，監(jiān)視模擬電源狀況。

　　VIN+/VIN-：電壓通道的差模模擬輸入，范圍是±250mV;

　　IIN+/IIN-：電流通道的差模模擬輸入，范圍是±50 mV(PGA設(shè)置為50×時(shí));

　　VREFIN/VREFOUT：參考電壓輸入/輸出，為片上調(diào)制器提供參考電壓及其輸出，通常為2.5 V。

　　MODB模式選擇，用于配置CS5463自引導(dǎo)模式;

　　RESET/INT：復(fù)位及中斷;

　　CS：片選信號(hào)，為低電平時(shí)，端口可識(shí)別串行時(shí)鐘等信號(hào)。

　　SCLK：串行時(shí)鐘輸入，該時(shí)鐘信號(hào)確定SDI、SDO的輸入/輸出速率，只在CS低電平時(shí)有效;

　　SDI/SDO：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出;

　　E1/E2/E3(EOUT)：能量輸出，輸出低電平有效、頻率和能量成比例關(guān)系的脈沖，3個(gè)引腳分別對(duì)應(yīng)有功功率、視在功率和無功功率。

　　4 CS5463的工作原理

　　4.1 輸入濾波

　　電壓和電流通道的輸入模擬信號(hào)送入可編程PGA進(jìn)行增益放大，放大后由△-∑調(diào)制器以一定的采樣速度采樣，采樣的結(jié)果再進(jìn)行高速數(shù)字濾波，得到符合要求的數(shù)字信號(hào)。電壓輸入通道采用二階△-∑調(diào)制器，高速濾波器由一個(gè)固定的Sinc2濾波器實(shí)現(xiàn);電流通道采用四階△-∑調(diào)制器，并用一個(gè)Sinc4濾波器實(shí)現(xiàn)，與電壓通道的范圍相比，可以在輸入跨度更大的情況下實(shí)現(xiàn)電流通道的精確測量。2個(gè)通道的數(shù)據(jù)接著通過2個(gè)FIR補(bǔ)償濾波器來補(bǔ)償通過低通濾波器后產(chǎn)生的幅值損耗。另外，2個(gè)通道都提供了一個(gè)可選的高通濾波器(HPF)，它可以在有效值、電能計(jì)算之前除去電壓和電流信號(hào)中的直流成分。

　　4.2 增益及DC偏移量調(diào)整

　　濾波后的瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量將進(jìn)行偏移量和增益調(diào)整，這是基于DC偏移量寄存器(加法運(yùn)算)和增益寄存器(乘法運(yùn)算)的調(diào)整。調(diào)整后的24位瞬態(tài)數(shù)據(jù)采樣值將存入瞬態(tài)電壓和電流寄存器，用戶可以通過串口從中讀出采樣數(shù)據(jù)。

　　4.3 能量計(jì)算

　　以有功功率的計(jì)算為例，采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量，把每對(duì)瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時(shí)有功功率的采樣值。每個(gè)A/D采樣周期后，新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器，N個(gè)瞬時(shí)功率采樣值為一組，每組的值累加和用于計(jì)算以后放在能量寄存器中的數(shù)值，它與電路在N個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期中的有功功率值成正比。同樣原理，電壓和電流有效值也利用最近的N個(gè)瞬態(tài)電壓、電流采樣值計(jì)算，并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。

　　4.4 串行接口

　　CS5463的串行接口使用了包括2條控制線CS、SCLK和2條數(shù)據(jù)線SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了帶有發(fā)送、接收緩沖器的狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)在SCLK的上升沿解析8位命令字，根據(jù)對(duì)命令的解碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備，內(nèi)部寄存器都是24位。讀操作需將被尋址的內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送緩沖區(qū);寫操作在數(shù)據(jù)傳輸前要等24個(gè)SCLK周期。

　　所有的命令字長度均為1個(gè)字節(jié)。寫寄存器命令后必須緊跟1、2或3個(gè)字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù);讀寄存器命令則發(fā)出3字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)。圖2和圖3分別示出串口緩沖區(qū)的讀、寫時(shí)序。

　　數(shù)據(jù)的讀和寫通過向串口SDI引腳寫入相應(yīng)的8位命令字(高位在前)來啟動(dòng)。當(dāng)命令包含寫操作時(shí)，串口將在下面24個(gè)SCLK周期記錄SDI引腳的數(shù)據(jù)(從高位開始)。寄存器寫指令后必須跟24位的數(shù)據(jù)，一旦收到數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)便將數(shù)據(jù)寫入配置寄存器，然后等待下一個(gè)命令。啟動(dòng)讀命令后，串口將在下8個(gè)、16個(gè)或24個(gè)SCLK周期啟動(dòng)SDO引腳上的寄存器進(jìn)行內(nèi)容轉(zhuǎn)移(從高位開始)，寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上。讀寄存器時(shí)，微控制器可以同時(shí)發(fā)送新指令，并立即執(zhí)行新指令，同時(shí)終止讀操作。

　　5 CS5463的典型應(yīng)用

　　圖4所示是以CS5463為核心的住宅用220V單相電源(圖中為2線式)系統(tǒng)的典型功率測量連接方式。首先在線路上串、并聯(lián)適當(dāng)阻值的分壓和分流電阻器，對(duì)從電阻器上采樣的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，圖中對(duì)稱的阻容濾波器更有助于減小電磁干擾，最后得到符合要求的電壓信號(hào)，送入電路進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。CS5463提供了數(shù)字校準(zhǔn)，用戶通過設(shè)置校準(zhǔn)命令字中的相應(yīng)位來決定執(zhí)行哪種校準(zhǔn)。對(duì)于電壓和電流通道，都有AC校準(zhǔn)和DC校準(zhǔn)。

　　該電路中用于監(jiān)測電流的分流電阻器串聯(lián)在電源的火線端，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)住宅電能測量應(yīng)用中，電度表分流器接在火線上有助于發(fā)現(xiàn)竊電行為。從這種類型的分流電阻器得到的共模輸入電壓應(yīng)以火線電壓為參考.這意味著CS5463的輸入共模電壓相對(duì)于地電位會(huì)在很高的正電壓和負(fù)電壓之間振蕩。因此，在設(shè)計(jì)CS5463的數(shù)字輸出接口與外部數(shù)字接口(如其他通信網(wǎng)絡(luò))時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。CS5463的數(shù)字串行接口引腳必須與外部數(shù)字接口隔離，使測量端的參考地電位與外部接口地參考地電位不相互影響，另外，CS5463及其電路必須密封絕緣以防觸電。