CSE7780是深圳市芯海科技有限公司繼2007年推出高精度單相有功功率計量芯片CSE7755B實現低成本電表方案，以及2009年推出填補國內數模混合三相電能計量芯片空缺的三相電能計量芯片CSE7752后，又成功推出的能夠測量電壓有效值、電流有效值、平均有功功率等各種電氣參數，且具有防竊電功能的單相多功能計量芯片。基于該芯片的電表方案完全符合國網新標準，從而使得芯海科技成為目前符合國網新標準的少數幾個芯片供應商之一。
基于CSE7780設計的智能電能表旨在使設計方案更加合理，使之成為性價比更具優勢的產品。本文對計量芯片CSE7780的性能特點和結構電路進行了分析，并從軟、硬件兩個方面給出符合國網智能電能表要求的設計方法。
符合國網新標準電能計量方案
CSE7780是一款高精度單相電能計量芯片，在動態范圍(1500:1)內，非線性誤差小于0.1%，提供兩路電流有效值、一路電壓有效值，在動態400:1的范圍內，有效值誤差小于0.5%。
該芯片能夠提供有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等功能，以及提供全數字增益、相位、失調校準，有功能量脈沖從PF管腳輸出。CSE7780通過一個SPI串行接口可以與外部的MCU進行通信；具有潛動閾值可調功能；內部具有電源監控電路，可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V單工作電源，內置2.5V電壓參考源，也可以使用外置的2.5V參考源。
CSE7780的內部功能結構框圖如圖1所示。在芯片工作時，將采樣到的電流、電壓信號先經過增益放大器，將采樣信號放大，然后再通過高精度的Sigma-Delta、模數轉換器(ADC)將模擬信號轉換為數字信號，得到的數字信號通過低通濾波器、高通濾波器濾去高頻噪聲與直流增益，從而得到需要的電流、電壓采樣量化的數據。將這些數據相乘，經過低通濾波器輸出平均有功功率；電流、電壓量化后的數據通過平方電路、低通濾波器、開方電路得到電流、電壓有效值。將有功功率按時間積分，計算出有功能量。通過能量頻率轉換器將得到的能量通過PF引腳輸出，也可通過SPI總線獲得經過數字信號處理得到的數字化數值。
圖1：CSE7780結構框圖。
軟件設計
CSE7780寄存器的配置流程如圖2所示，先設置好計量控制寄存器，能后再配置校表寄存器。
1． CSE7780 ADC參數設計
以設計一款額定電壓220V(Un)、10(60)A電流規格、表常數為1600imp/KWh的電表為例，由于電流輸入通道允許輸入最大信號為±700mV的峰峰值(有效值為495mVrms)，10(60)A的表考慮到通道A發熱的情況，可選擇200～250微歐的錳銅，若以250微歐的錳銅來采樣，在Imax=60A時，通道A的采樣信號為60A*250μΩ=15mV，由于電流通道A的允許最大輸入信號為495mV，因此電流通道的增益選擇可配置成16，通道B采用2500:1的互感器；負載電阻10Ω，電流通道B增益設置為1。電壓通道允許最大輸入信號為±700mV的峰峰值，考慮到電壓會有130%Un過壓，可將電壓采樣信號通過網絡電阻將220V交流電壓信號降至220mV左右，電壓通道增益選擇為1。
通過上述的論述，我們需將電流通道A的增益設置為16，電流通道B的增益設置為1，電壓通道的增益設置為1，因此SYSCON寄存器應設置為00C0H。
圖2：參數配置流程圖。
2．HFConst寄存器的設置
電表常數EC為1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025Ω*16=40mV；EC=1600；Un=220V；
Ib=10A。根據公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*1011/(EC*Un*Ib)]，可得HFConst=2664H，因此寫入HFConst寄存器的值應為2664H。
3．其他計量控制寄存器配置
啟動電流的配置：在Un、Ib的情況下，有功功率寄存器PowerA的數值為1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情況下能夠正常啟動，則Pstar寄存器可配置為0.2%Ib有功功率對應的數值pstar=00D6H(Pstart對應的是PowerA的高24位，計算出的Pstart是16'h00D6)。
能量累加模式的配置：由于需要計量正反有功能量，因此我們須將能量累加模式配置成正反向功率都參與累加，累加方式是代數和方式，負功率有REVQ符號指示，使能PF脈沖輸出及有功電能寄存器累加，即可將EMUCON配置為0001H。
4．校表寄存器的配置
a.有功功率校準
功率增益校正：在輸入信號為Un、Ib的情況下，從校表臺獲得通道A的誤差為err，
如果Pgain>=0，則GPQA=INT[Pgain*215]，反之若Pgain<0,則GPQA=INT[216 +Pgain*215]。
通道B的功率校準可通過配置GPQB來實現，方法與校正通道A的相同。
相位校正：在PF=0.5L，輸入信號為100%Un、100%Ib的情況下，從校表臺上獲得的誤差為err，則相位誤差補償為
對50Hz的電網而言，PHSA有0.020/LSB的關系，則：如果θ>=0，PHSA =INT(θ/0.020)；如果θ<0，PHSA =INT(28+θ/0.02)-96。
通道B的相位校正可通過配置PHSB來實現，方法與校正通道A的相同。
有功功率失調校正：在小信號1.0的情況下，如果小信號偏差較大，可通過調整有功功率失調校正寄存器來修正小信號的偏差。
在PF=1.0，Vu=Un，Vi=0的情況下，等待DPUDIF的更新，通過MCU獲取PowerA的值，讀取若干次去平均值，取平均值的補碼的后4位寫入APOSA校正寄存器。
通道B的有功功率失調校正可通過配置APOSB來實現，方法與校正通道A的相同。
圖3：功率校正流程圖。
b.有效值校準
有效值的校正流程如圖4所示，先校正電流的失調，校正失調后，再進行A/B通道電流轉換系數KIA/KIB及電壓轉換系數KU的計算，在PF=1.0、Vu=100%Un、Vi=Ib的情況下讀取IARMS、IBRMS寄存器的數值，根據公式KIA=IARMS/Ib可得到電流通道A的轉換系數，按同樣的方法可得電流通道B的轉換系數KIB及電壓通道的轉換系數KU。
圖4：有效值校正。
5．CSE7780校準及初始化過程
上電初始化MCU；對計量芯片的可寫寄存器依次寫入，完成計量控制寄存器及校表參數的初始化。
在初始化的過程中，要保證寫入到計量芯片的數值的正確。在正常工作的時候需要監控CSE7780的工作狀態，確保計量芯片處在正常情況下工作，一般監控校驗和是否正確以及芯片是否有被復位。
圖5：智能電能表原理框圖。
硬件設計
目前芯海可以向客戶提供包括軟、硬件在內的完整參考設計。圖5為智能電能表原理框圖，圖6為目前推出的參考設計完整電路。
下面是針對CSE7780使用過程中其它一些應該注意的問題給出的建議：在PCB布局的時候需要注意變壓器對錳銅的影響，這會影響到計量芯片的小信號的誤差；在采樣輸入端的走線應平行對稱，減小采樣線所包圍的面積；晶體不能放在PCB板邊，防止在打ESD的時候，將芯片打死，晶體下面最好不要走其它的信號線。
本文小結
通過在深圳計量院的整表測試，CSE7780能夠準確測量單相智能電能表各個參數，計量精度完全滿足要求。基于CSE7780的整機方案經EMC檢測、認證的第三方專業認證機構信測科技驗證了EMC等方面的性能，具有極佳的性能指標，完全符合新一代國網智能電能表的要求。其簡單易懂的軟件校表方式，既便于電能表開發工程師進行程序開發，又提高了生產線的效率。
圖6：國網單相智能表實物圖。
|
