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基于双功能电能计量IC实现三相电表的应用设计

发布时间:2021-09-24 02:09:16
来源:乐鱼体育官网

  与电压)的功能都是固定的,以固定频率运行,具有固定的输出精度。虽然这些器件可以良好地执行它们的固定功能,但这种方案对于设计师来说不够灵活。

  以前,IC制造商只提供基于ROM的电能计量IC作为执行这些功能的开源解决方案;现在,他们以△-∑可配置闪存设计的形式提供解决方案。本文介绍了一个完整的电表设计示例,使用大约7 KB的程序字来实现完整的三相电表IC。该设计由中断驱动,仅使用50%的中断处理时间(系统的电源频率为60 Hz,每个周期进行128次采样)。在130μs的时间窗中,大约65μs的时间用于全部三相的计算,包括失调电压、增益和相电压的校准,以及LSB的调整。高精度电表设计的功率输出寄存器最高需要48位,所以在低成本的8位单片机(MCU)上执行这种数学计算并非轻而易举。这种闪存方案具有很大的灵活性,相比基于ROM的电表IC具有很多优点,本文将对此进行介绍。

  基于ROM的电表设计需要依靠外部存储器进行电表校准,并智能加载状态机,这是一种成本较高的两阶段方案。信号流的第三个阶段必须将校准常量装入固定功能的电能计量IC中。通过将基于ROM的AFE中的计算功能与基于闪存的中央MCU相结合,可以省去其中的一个阶段。电表校准算法和常量可以全部包含在一个阶段中,这有助于减少IC数量和降低系统成本。

  在做出关于计算和电表校准的设计决定之前,设计师必须确定模拟设计是可靠的。系统的模拟和ADC性能最终会限制电表的整体精度。在设计趋势的推动下,分流电流和信号越来越小,所以ADC噪声较低、分辨率较高的电能计量IC会更符合市场的需求。要开发符合IEC标准的电表(包括0.5和0.1级电表),低噪声、串扰可忽略、具有优良线位双通道ADC会是一个坚实的起点。

  chnology的MCP3909电能计量IC是一款△-∑器件,特别针对符合以上条件的电能计量应用而设计,它包含有灵活的数字模块和通信通路。该IC的两个板载16位模数转换器的信噪失线 dB,支持远超出IEC要求的动态范围测量。该IC的板载PGA(增益可达32 V/V)支持如下面所示的信号大小和测量误差精度。此外,器件还允许设计师控制ADC和乘法器输出,以及滤波器输入。

  该器件可以与MCU配合使用,也可以用作独立的计量解决方案。在某些情况下,电表设计并不完全需要采用双芯片方案。在这些情况下,保留电表IC中的功率计算功能就足够了。执行有功功率计算,并产生脉冲输出来驱动机械计数器,具有这种固定功能的DSP模块在行业中已取得了很大的成功。目前,这种脉冲输出计算模块已经成为了业界的标准,MCP3909 IC中正包含了这种模块。数以百万计的电表采用了这种单芯片方案,该方案只需要单点校准。在分立式和基于MCU的电表中都可以使用此类设计,这种灵活性可以极大地帮助电表制造商进行设备认证和测试。

  此外,使单个电表IC适用于多种电表设计可以让电表设计师和制造商受益,并最终让寻求可靠解决方案的电力公司受益。MCP3909器件的双功能使它非常灵活,可适用于一系列广泛的电表设计。

  这种设计概念通过双功能引脚实现,双功能引脚使设计师可以直接访问△-∑ ADC和乘法器输出。这种方案为电能计量IC和闪存MCU之间的交互带来很大的灵活性。由于可以直接访问电压、电流和功率ADC输出,数字计算功能现在可以转移到闪存MCU中,闪存MCU可以同时用作计算引擎和中央处理器。

  图3显示了一个三相电表参考设计示例,它使用了Microchip的MCP3909和PIC18F系列高端8位单片机(MCP3909-3PH18F-RD1)。该示例将可直接访问的△-∑电能计量IC与低成本闪存电表计算引擎相结合,从而节省元件成本并简化电表校准与设计。配置寄存器、功率与电能寄存器,以及RMS电流与电压寄存器位于闪存MCU上。所有寄存器都可以通过串行接口访问,就如它们在标准的基于ROM的电表计量IC中一样。

  该设计的独特之处在于,进行电表校准之后,可串行访问的寄存器中包含以精确功率单位表示的数值。寄存器的十进制值表示功率量的十进制值。对于功率,可用的寄存器位宽最高为48位;对于电能,可用的寄存器位宽最高为64位。例如,名称以“W”结尾的寄存器对应于所测量的瓦特值。以“VA”结尾的寄存器包含给定相的伏安值——“I”表示所测量的RMS电流,“V”表示所测量的RMS电压。

  LSB校正这一概念让设计师可以通过自动校准软件设置寄存器的分辨率。寄存器分别表示功率(千瓦)、电压(伏特)、电流(安培)和电能(千瓦时)的LSB量。例如,给定输出寄存器中的数值为1234时,表示1234瓦特或1.234千瓦。与其他计量器系统、模块或输出显示器(例如LCD)接口时,可以极大地简化电表固件的设计。

  小数点位置(即功率量的分辨率)由在该设计的校准软件的电表设计部分输入的值决定。在通过软件自动对电表进行校准的步骤中,将会计算出正确的LSB校正因数,以确保最低有效位表示给定量的最低有效数字。

  软件中的电表设计对话框允许用户输入具体的电表参数。对于任意给定的电表生产批次,可以在生产时进行自定义,为RMS或有功功率计算增大ADC量程。其他电表常量(例如空载阈值限制)也可以在生产电表时通过软件/闪存接口简便地更改。

  对于高级电表设计,电表所需的校正因数不仅在生产时在电表外部计算,而且还通过软件和校准设备在校准期间进行计算。通过USB与电表校准软件进行通信更符合实际需求,因为现在的许多PC已经没有曾经普遍使用的RS-232串行端口。RS-232仅支持每次与连接到总线上的一个设备进行通信。进行电表校准时,通常要控制10至50个电表的校准电压和电流。使用RS-232时,通过单个控制校准的PC无法与多个电表进行通信。

  电表的USB监视与校准软件具有一些优于传统串行与并行软件解决方案的优点。这些优点包括:连接能力提高、通信带宽更宽,以及可为多个电表供电。此外,使用USB还可以快速地从多个电表收集数据。

  图4显示的是利用Microchip公司免费的USB电表软件通过前面介绍的闪存PIC18F和MCP3909电能计量IC示例进行电表校准和数据读取。对于两种方案,软件的接口均支持RS-232/485和USB。

  该开源USB软件具有多项优势功能,包括能够存储和读取电表校准状态。闪存MCU中包含一些校准状态寄存器,软件使用这些寄存器来标记一些特定功率量是否已校准。相校准状态使用$图标标记,如图4所示。这种校准方式只能用于基于闪存的电表计算引擎,不能由基于ROM的电表IC执行。此外,系统还会跟踪哪相被选择为标准相,用于在校准期间进行相间增益匹配。

  为了帮助防止电表篡改行为,采用该方案时需要考虑的一个重要方面就是代码安全性和加密。除了防止篡改外,可能还需要保护电表设计的知识产权(IP)。针对特定客户需求进行修改之后,如果电表计算引擎中包含电表制造商希望针对最终客户保护的IP,有一些选项可用于实现代码安全性。

  有一种安全性级别可以对存储器算法进行锁定,禁止通过串行端口读取一些存储区的内容。对MCU存储器的一些区域设置读写锁定,可以防止其他代码部分(例如RS-485或USB部分)访问受保护的区域,例如保存校准和校正因数的那些区域。此外,还提供了标准的加密算法,例如高级加密标准(AES)和微型加密算法2(XTEA)。

  保护协作式公用事业计量系统设计中的知识产权也是一个常见的挑战,因为对电表计算引擎进行自定义会在设计中产生额外的IP。在公用仪表中,计量器设计事务所、软件IP供应商、传感器模块和OEM可能各自具有自己的IP,而最终的计量器中可能包含二至三种嵌入式MCU,每种具有不同的计量功能和特定于不同公司的IP。使用多种具有不同IP的器件会增加最终客户和公用事业公司的成本。

  可以将多个IP区域整合到单个器件中,同时对各个代码区域进行独立保护,并将解决方案集成到单个16位MCU或数字信号控制器(DSC)中。这种在单个器件上整合IP的协作式方案可以保护各方的IP,并且可以较低的成本提供最终的产品。

  今天,可供选择的闪存MCU和模拟产品非常广泛,这为电表设计提供了许多令人激动的新途径。近年来,出现了只有6个引脚的小尺寸闪存MCU,单价低于0.40美元,这为低成本的单相电表校准提供了新的可能性。此外,采用模块化的AFE计算模块,还可以简便地开发更高端的16位和32位电表;这些模块协同工作,实现简化的校准技术和更快速的电表生产。采用△-∑ ADC技术的高精度、灵活的AFE,配合闪存MCU的智能,为创新性的单相和三相电表设计开辟了新的途径。

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  T164采用先进的硅栅极CMOS技术。具有标准CMOS集成电路的高抗噪能力和低功耗。它还具有可比低功率肖特基器件的速度。该8位移位寄存器具有门控串行输入和CLEAR。每个寄存器位为一个D类主/从触发器。输入A& B允许对涌入数据的全面控制。在一个或两个输入上的一个低电平将禁止新数据的进入且将第一个触发器在下一个时钟脉冲时重置至低电平。在一个输入的高电平使能其他输入,将决定第一个触发器的状态。串行输入的数据在时钟为高电平或低电平时将被改变,但是仅有满足设置和保持时间要求的信息进入。在正向电压在时钟脉冲转换期间,数据串行转移入和移出8位寄存器。清零与时钟无关,通过清零输入的低电平实现.74HCT逻辑系列的功能和引脚分配与标准74LS MM.7HCT器件专用于TTL和NMOS组件与标准CMOS器件之间的接口。另外,这些器件也是LS-TTL器件的插件替换件,而且可用于降低现有设计的功耗。 特 典型传播延迟:20 ns 低静态电流:40μA,最大值(74HCT系列) 低输入电流:1μA,最大值 10 LS-TTL负载的高扇出 兼容TTL输入 应用 此产品是一般用途,适用于许多不...

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  带存储功能的8位串进并出移位寄存器 宽工作电压范围2V-6V 可级联 移位寄存器具有直接清零引脚 保证移位频率:DC到30MHz 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用程序。 电路图、引脚图和封装图...

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  输出驱动能力:15 LS-TTL负载 应用 此产品是一般用法,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...

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  T74利用先进的硅栅极CMOS技术实现了与LS-TTL等效部件相似的操作速度。它具有标准CMOS集成电路的高抗噪能力和低功耗特点,可以驱动10个LS-TTL负载。该触发器具有独立的数据,预设,清零和时钟输入以及Q和Q#输出。数据输入上的逻辑电平在时钟脉冲正向转换期间被传输到输出。预设和清零与时钟无关,通过适当输入端的低电平实现.74HCT逻辑系列在速度,功能和引脚排列上与标准74LS逻辑系列兼容。保护所有输入端,以免因内部二极管钳位至V CC...

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  574高速八通道D型触发器采用先进的硅栅极P井CMOS技术。它们具有标准CMOS集成电路的高抗扰度和低功耗特点,可以驱动15个LS-TTL负载。由于具有大输出驱动能力和3态功能,这些器件非常适合与总线组织系统中的总线线路接口.D输入端符合设置和保持时间要求的数据在时钟(CK)输入的正向转换期间传输到Q输出。当高逻辑电平应用于OUTPUT CONTROL(输出控制)输入端时,所有输出端进入高阻抗状态,不管其他输入端存在什么信号,也不管存储元件的状态如何。 74HC逻辑系列在速度,功能和引脚排列上与标准74LS逻辑系列兼容。保护所有输入端,以免因内部二极管钳位至V CC 和地线的静电放电而受到损坏。 特性 典型传播延:18 ns 宽工作电压范围2V-6V 低输入电流:1μA,最大值 低静态电流:80μA,最大值 兼容总线导向系统 输出驱动能力:15 LS-TTL负载 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用程序。 电路图、引脚图和封装图...

  74A利用先进的硅栅极CMOS技术实现了与LS-TTL等效部件相似的操作速度。它具有标准CMOS集成电路的高抗噪能力和低功耗特点,可以驱动10个LS-TTL负载。该触发器具有独立的数据,预设,清零和时钟输入以及Q和Q#输出。数据输入上的逻辑电平在时钟脉冲正向转换期间被传输到输出。预设和清零与742C逻辑系列兼容。保护所有输入端,以免因内部二极管钳位至V CC 和地线的静电放电而受到损坏。 特性 典型传播延迟:20 ns 宽电源范围:2-6V 低静态电流:40μA,最大值(74HC系列) 低输入电流: 1μA,最大值 10 LS-TTL负载的高扇出 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...

  574高速八通道D型触发器采用先进的硅栅极P井CMOS技术。它们具有标准CMOS集成电路的高抗扰度和低功耗特点,可以驱动15个LS-TTL负载。由于具有大输出驱动能力和3态功能,这些器件非常适合与总线组织系统中的总线线路接口。在这里(CK)输入的正向转换过程中,D输入端的数据(符合设置和保持时间的要求)被传输到Q输出端。当高逻辑电平应用于OUTPUT CONTROL(输出控制)输入端时,所有输出端进入高阻抗状态,不管其他输入端存在什么信号,也不管74储逻辑系列兼容。保护所有输入端,以免因内部二极管钳位至V CC 和地线的静电放电而受到损坏。 特性 典型传播延迟:20 ns 宽工作电压范围2-6V 低输入电流:1μA,最大值 低静态电流:80μA,最大值 兼容总线导向系统 输出驱动能力:15 LS-TTL负载 应用 此产品是一般用法,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...

  线性稳压器是单片集成电路,设计用作固定电压调节器,适用于各种应用,包括本地,卡上调节。这些稳压器采用内部限流,热关断和安全区域补偿。通过充分的散热,它们可以提供超过1.0 A的输出电流。虽然主要设计为固定电压调节器,但这些器件可以与外部元件一起使用,以获得可调电压和电流。 特性 输出电流超过1.0 A 无需外部元件 内部热过载保护 内部短路电流限制 输出晶体管安全区域补偿 输出电压提供1.5%,2%和4%容差 无铅封装可用 应用 可用于Surface Mount D 2 PAK和Standard 3 -Lead Transistor Packages 电路图、引脚图和封装图...

  MC33160 线系列是一种线性稳压器和监控电路,包含许多基于微处理器的系统所需的监控功能。它专为设备和工业应用而设计,为设计人员提供了经济高效的解决方案,只需极少的外部组件。这些集成电路具有5.0 V / 100 mA稳压器,具有短路电流限制,固定输出2.6 V带隙基准,低电压复位比较器,带可编程迟滞的电源警告比较器,以及非专用比较器,非常适合微处理器线路同步。 其他功能包括用于低待机电流的芯片禁用输入和用于过温保护的内部热关断。 这些线引脚双列直插式热片封装,可提高导热性。 特性 5.0 V稳压器输出电流超过100 mA 内部短路电流限制 固定2.6 V参考 低压复位比较器 具有可编程迟滞的电源警告比较器 未提交的比较器 低待机当前 内部热关断保护 加热标签电源包 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图...

  530双路降压DC-DC转换器是一款单片集成电路,专用于下游电压轨的汽车驾驶员信息系统。两个通道均可在0.9 V至3.3 V范围内进行外部调节,并可提供高达1600 mA的电流。转换器的工作频率为2.1 MHz,高于敏感的AM频段,并且相位差180°,以减少轨道上的大量电流需求。同步整流提高了系统效率。 NCV896530提供汽车电源系统的其他功能,如集成软启动,逐周期电流限制和热关断保护。该器件还可以与2.1 MHz范围内的外部时钟信号同步。 NCV896530采用节省空间的3 x 3 mm 10引脚DFN封装。 特性 优势 同步整改 效率更高 2.1 MHz开关频率 电感更小,没有AM频段发射 热限制和短路保护 故障保护 2输出为180°异相 降低输入纹波 内部MOSFET 降低成本和解决方案规模 应用 音频 资讯娱乐t 仪器 电路图、引脚图和封装图...

  NCP1532 降压转换器 DC-DC 双通道 低Iq 高效率 2.25 MHz 1.6 A.

  2双级降压DCDC转换器是一款单片集成电路,专用于为采用1节锂离子电池或3节碱性/镍镉/镍氢电池供电的便携式应用提供新型多媒体设计的核心和I / O电压。两个通道均可在0.9V至3.3V之间进行外部调节,每个通道可提供高达1.6A的电流,最大电流为1.0A。转换器以2.25MHz的开关频率运行,通过允许使用小电感(低至1uH)和电容器并以180度异相工作来减小元件尺寸,从而减少电池的大量电流需求。自动切换PWM / PFM模式和同步整流可提高系统效率。该器件还可以工作在固定频率PWM模式,适用于需要低纹波和良好负载瞬变的低噪声应用。其他功能包括集成软启动,逐周期电流限制和热关断保护。该器件还可以与2.25 MHz范围内的外部时钟信号同步。 NCP1532采用节省空间的超薄型3x3 x 0.55 mm 10引脚uDFN封装。 特性 优势 97%效率,50uA静态电流,0.3 uA关断电流 延长电池寿命和播放时间 2.25MHz开关频率 允许使用更小的电感和电容 模式引脚操作:仅在轻载或PWM模式下自动切换PWM / PFM模式 允许用户在轻载或低噪声和纹波性能之间选择低功耗 可调输出电压0.9V至3.3V 复位输出引脚...

  2B降压型DC-DC转换器是一款单片集成电路,针对便携式应用进行了优化,采用单节锂离子电池或三节碱性/镍镉/镍氢电池供电。该器件采用0.9 V至3.3 V的可调输出电压,可提供高达600 mA的电流。它使用同步整流来提高效率并减少外部部件数量。该器件还内置3 MHz(标称)振荡器,通过允许更小的电感器和电容器来减小元件尺寸。自动切换PWM / PFM模式可提高系统效率。其他功能包括集成软启动,逐周期电流限制和热关断保护。 NCP1522B采用节省空间的薄型TSOP5和UDFN6封装。 特性 优势 94%效率,50 uA静态电流,0.3 uA关断电流 延长电池寿命和播放时间 3.0 MHz开关频率 允许使用更小的电感(低至1uH)和电容 轻负载条件下PWM和PFM模式之间的自动切换 轻载时的低功耗 可调输出电压0.9V至3.3V 应用 终端产品 电源f或应用处理器 核心电压低的处理器电源 智能手机手机和掌上电脑 MP3播放器和便携式音频系统 数码相机和摄像机 电路图、引脚图和封装图...

  NCP1529 降压转换器 DC-DC 高效率 可调节输出电压 低纹波 1.7 MHz 1 A.

  9降压型DC-DC转换器是一款单片集成电路,适用于由一节锂离子电池或三节碱性/镍镉/镍氢电池供电的便携式应用。该器件可在外部可调范围为0.9 V至3.9 V或固定为1.2 V或1.35 V的输出范围内提供高达1.0 A的电流。它使用同步整流来提高效率并减少外部元件数量。该器件还内置1.7 MHz(标称)振荡器,通过允许使用小型电感器和电容器来减小元件尺寸。自动切换PWM / PFM模式可提高系统效率。 其他功能包括集成软启动,逐周期电流限制和热关断保护。 NCP1529采用节省空间的扁平2x2x0.5 mm UDFN6封装和TSOP-5封装。 特性 优势 96%效率,28 uA静态电流,0.3 uA关断电流 延长电池续航时间和播放时间 1.7 MHz开关频率 允许使用更小的电感和电容器 在轻负载条件下自动切换PWM和PFM模式 轻载时的低功耗 可调输出电压0.9V至3.9V 即使在PFM模式下,同类最佳低纹波 应用 终端产品 电池供电应用电源管理 核心电压低的处理器电源 USB供电设备 低压直流电源电源管理 手机,智能手机和掌上电脑 MP3播放器和便携式音频系统 电路图、引脚图和封装图...

  系列降压开关稳压器是单片集成电路,非常适合简单方便地设计降压型开关稳压器(降压转换器)。该系列的所有电路均能够以极佳的线 A负载。这些器件提供3.3 V,5.0 V,12 V,15 V的固定输出电压和可调输出版本。 此降压开关稳压器旨在最大限度地减少外部元件的数量,从而简化电源设计。标准系列电感器针对LM2575进行了优化,由多家不同的电感器制造商提供。 由于LM2575转换器是一种开关电源,与传统的三端线性稳压器相比,其效率要高得多,特别是在输入电压较高的情况下。在许多情况下,LM2575稳压器消耗的功率非常低,不需要散热器,也不会大幅降低其尺寸。 LM2575的特性包括在指定的输入电压和输出负载条件下保证4%的输出电压容差,以及振荡器频率的+/- 10%(0C至125C的+/- 2%)。包括外部关断,具有80 uA典型待机电流。输出开关包括逐周期电流限制,以及在故障条件下进行全保护的热关断。 特性 3.3 V,5.0 V,12 V ,15 V和可调输出版本 可调版本输出电压范围为1.23 V至37 V +/- 4%最大线 A输出电流 宽输入电压范围:4.75 V至40 V 仅需要4个外部元件 ...


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