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一种新型电网数显功率表的电路设计

作者:power   来源:网络   点击:    日期:2009-12-12    

    1 系统工作原理

  在直流电路中,有功功率反映被测电路的电压和电流的乘积(P=UI);在交流电路中,除了这个乘积外,还应反映其相位差的余弦,即电路的功率因数cosψ,有P=UI/cosψ。对于工业生产和日常生活,准确、实时的测量电网功率是必不可少的。本系统采用开关稳压电压源,将220 V交流市电整流稳压为模拟、数字两路+5 V电源,为整个电表电路供电。采用先进的单相双向功率/电能集成芯片CS5460A。通过电流互感器检测的电流信号,通过电阻分压器输入的电压信号,可直接输入该集成芯片,在片内完成A/D转换和瞬时有功功率计算。其基本结构框图,如图1所示。

  2 开关电源电路

  电源是电子设备的核心部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性,而且电子设备的故障大都来自电源,因此在设计电子设备时,电源的设计十分重要。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源,就是其调整管工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低,一般只有35%~60%;开关稳压电源的调整管工作在开关状态,主要的优越性就是变换效率高,可达70%~95%。此外,开关稳压电源还有功耗小、稳压范围宽、体积小、重量轻、安全可靠等优点。目前电子设备的稳压电源逐渐被开关稳压电源所取代。在本系统中,由于在检测部分要用到C55460A,为了避免干扰,需要模拟和数字两路+5 V电源,因此,在开关稳压电源部分也需要有两路+5 V电源。该部分电路原理图,如图2所示。

  3 功率检测电路

  功率检测电路是该功率表设计的主要部分。其主要功能是在单片机P89LPC916的控制下由CS5460A检测功率并输出功率值,其中X5045存放标准校正值,供单片机随时校准功率值。其电路原理图,如图3所示。检测电路中主要器件有功率互感器、CS5460A、单片机P89LPC916、X5045等。

  3.1 CS5460A功能概述

  CS5460A是一个包含两个△∑模一数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的△∑模一数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS,用于研制开发单相2线或3线电表。

  CS5460A可以使用低成本的分流器或电流互感器测量电流,使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口,芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A具有方便的片上AC/DC系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A能独立工作,系统上电后自动初始化。在自引导模式中,CC5460A从一个外部EEPROM中读取校准数据和启动指令。使用该模式时,CS5460A工作时不需要外加微控制器,因此当电表用于大批量住宅电能测量时,可降低电表的成本。

  CS5460A是具有有功功率计算引擎的CMOS单片功率测量芯片,它包含了两个增益可编程放大器、两个△∑调制器、两个高速滤波器,具有系统校准和有效值/功率计算功能,以提供瞬时电压/电流/功率数据采样及有功能量、IRMS、VRMS的周期计算结果。为适应低价测量应用,CS5460A也能在给定引脚上输出脉冲串,输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。CS5460A专为功率测量进行了优化,它适合与分流器或电流互感器相连来测量电流;与分压电阻或电压互感器相连来测量电压。为适应不同电平的输入电压,电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA),使输入电平满量程可选择为±250 mVRMS或±50 mVRMS。电压通道的PGA可适应±250 mV的输入电压范围。对于VA+和VA-两端接单+5 V电源的情况,两个通道的差模输入引脚间所加的共模+信号电压为-0.25~+5 V。另外,设计时可以在某一个通道或两个通道实现双端差模输入,此时输入信号的共模电压加在AGND上。CS5460A每通道都有一个高速数字滤波器,将两个△∑调制器的输出衰减10倍并积分。滤波器以(MCLK/K)/1 024的字输出速率(OWR)输出24位数据。为了方便与外部微控制器通讯,CS5460A集成有一个简单的三线串行接口,该串口与SPITM和Micro WireTM标准兼容。串口的串行时钟(SCLK)和RESET引脚内包含一个施密特触发器,允许使用上升速度较慢的信号。

  CS5460A特性:

  (1)电能数据线性度:在1 000:1动态范围内线性度为±0.1%;
  (2)片内功能:可以测量电能(有功),I×V,IRMS和VRMS,具有电能一脉冲转换功能;
  (3)可以从串行EEPROM智能“自引导”,不需要微控制器;
  (4)AC或DC系统校准;
  (5)具有机械计度器/步进电机驱动器;
  (6)符合IEC687/1036,JIS工业标准;
  (7)功耗<12 mW;
  (8)优化的分流器接口;
  (9)V对I向相位补偿;
  (10)单电源地参考信号;
   (11)片内2.5 V参考电压(最大温漂60 ppm/°C);
  (12)简单的三线数字串行接口;
   (13)看门狗定时器;
  (14)内带电源监视器;
  (15)电源配置为VA+=+5 V;VA-=0 V;VD+=+3.3~+5 V。

  如图4所示为CS5460A在单电源单相2线系统的功率测量方案,该图用于监控电源线电流的电阻分流器联接在电源的火线端。

  3.2 功率检测电路工作原理

  首先通过电流互感器获取高压电路的互感电流。采用电流互感器这种形式的主要优点在于,实现了高压与低压的隔离。由于CS5460A的功率检测实际上是将电流信号转变为电压信号后的电压检测,所以在电路中由R48、R49将互感电流转变为电压信号,再通过R50、R51限流和C21、C22滤波后输入到CS5460A的功率检测管脚15、16。另外,在两路输人中分别用二极管进行电压嵌位,以避免电压过高时损坏CS5460A。CS5460A的3、14脚分别为,模拟、数字+5 V电源。同时为了滤除电压波动增加电源的稳定性,在两路电源输入时分别加一小滤波电容。由于此为功率检测,所以电压检测的两输入脚9、10为了避免干扰也应接模拟地。13脚VA-接模拟地,4脚DGND接数字地,模拟地和数字地之间用电感连接。1、24(XOUT,XIN)两脚接频率为4.096 MHz的晶振。CS5460A自动完成输入信号的检测,并通过6脚SDO输出数据;同时,分别由5脚SCLK、7脚CS、19脚R\E\S\、20脚I\N\T\、23脚SDI输出单片机的时钟脉冲、片选信号、复位信号、中断信号和单片机对CS5460A的控制信号。由于CS5460A完成了对模拟信号的检测并以数字信号输出检测值,即一个芯片同时有模拟、数字两种信号,它需要模拟数字两路电源;同时,其需要接地的管脚一定要正确接相应的地,不然将会引入很大的干扰。

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