基于CSE7780的智能节能插座方案设计

现场应用工程师

深圳芯海科技有限公司

目前大部分的家用电器及办公设备并没有实现真正的节能，待机状态下的功耗问题日益严重，由此带来的浪费极大。而且，随着电器的增多，负载功率不断增大，导致许多插座在过流、过压等情况下，不能实现自动保护，甚至引起火灾。因此，能够通过检测负载功率的大小来保护电器并轻松测量和判断电器能耗参数、实现节能环保的智能插座，其市场需求越来越大，尤其是目前已经率先受到海外市场的青睐。

本文介绍的智能节能插座完整设计方案基于单相多功能计量芯片CSE7780，该芯片是国内首款完全符合国网新标准且动态范围达2000:1的产品，能够测量电压有效值、电流有效值、平均有功功率等各种电气参数。该芯片采用芯海科技成熟的3 路Σ-△技术，可分别用于相线电流采样、零线电流采样以及电压采样。基于CSE7780设计的智能插座能够通过检测负载功率的大小来实现对用电器使用功耗的监测。

智能插座系统设计

本设计由计量模块、显示模块和控制模块三部分组成(见图1)，本文将对关键的计量模块设计进行重点讲述。

图1：基于CSE7780智能插座系统框图。

1、计量功能设计

本系统采用的是CSE7780，该芯片能够提供有功功率、有功能量、电流有效值、电压有效值、线频率、过零中断等功能，提供全数字增益、相位、偏置电流校准，有功能量脉冲从PF管脚输出。此外，CSE7780提供一个SPI串行接口，可以与外部MCU进行通信，而且内部具有电源监控电路，可以保障芯片的正常作。

如图2所示，本系统计量包括电流、电压采样两部分。

(1) 电流信号采样

电流采样电路中，电流流经锰铜分流器时会在计量芯片的电流采样通道上产生一个压降，不同的电流信号在分流器上形成的压降不同，计量芯片通过采集在分流器上形成的电压信号，从而实现了对电流信号的采集。

(2) 电压信采样

电压采样通常是采集的是零线上的信号，由于电压信号较大，本系统设计直接通过电阻网络降压的方式实现对电压信号的采样。

图2：基于CSE7780智能插座的计量电路。

2、显示模块设计

本系统设计方案的显示部分采用的液晶驱动控制芯片为HT1621，该液晶驱动能够4*32的液晶段码，完全能够满足显示驱动的要求，可显示电量、电压有效值、电流有效值、有功功率等信息。

3、电源模块

从产品的空间因素方面考虑，本系统设计的电源采用了非隔离电源，该电源电路能够提供大约60mA的电流。

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智能插座软件设计

1、电参数的计算

以设计一块额定电压220V(Un)、10 (60) A电流规格、常数1600imp/KWh插座为例，由于电流输入通道允许输入最大信号为±700mV的峰峰值(有效值为495mVrms)，10(60)A的表考虑到通道A发热的情况，可选择200~250μΩ的锰铜，若以250μΩ的锰铜来采样，在Imax=60A时，通道A的采样信号为60A*250μΩ=15mV。由于电流通道A的允许最大输入信号为495mV，因此电流通道的增益选择可配置成16，通道B采用2500:1的互感器；负载电阻10Ω，电流通道B增益设置为1。电压通道允许最大输入信号为±700mV的峰峰值，考虑到电压会有130%Un过压，可将电压采样信号通过网络电阻将220V交流电压信号降至220mV左右，电压通道增益选择为1。

通过上述的论述，我们需将电流通道A的增益设置为16，电压通道的增益设置为1，因此SYSCON寄存器应设置为0080H。

CSE7780寄存器的配置流程如图3所示。

图3：CSE7780寄存器的参数配置流程图。

2、HFConst寄存器的设置

常数EC为1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025Ω*16=40mV；EC=1600；Un=220V；

Ib=10A。根据公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*10^11/(EC*Un*Ib)]可得HFConst=2664H，因此写入HFConst寄存器的值应为2664H。

3、其他计量控制寄存器配置

启动电流的配置。在Un、Ib的情况下，有功功率寄存器PowerA的数值为1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情况下能够正常启动，则Pstar寄存器可配置为0.2%Ib有功功率对应的数值Pstar=00D6H(Pstart对应的是PowerA的高24位，计算出的Pstart是16"h00D6)。

能量累加模式的配置。由于需要计量正反有功能量，因此我们须将能量累加模式配置成正反向功率都参与累加，累加方式是代数和方式，负功率有REVQ符号指示，使能PF脉冲输出及有功电能寄存器累加，即可将EMUCON配置为0001H。

4、校表寄存器的配置

(1) 有功校正

a、功率增益校正

在输入信号为Un、Ib的情况下，从校表台获得通道A的误差为err，则公式1。如果Pgain>=0，则GPQA=INT[Pgain*2^15]，反之若Pgain<0,则GPQA=INT[2^16 +Pgain*2^15]。

通道B的功率校准可通过配置GPQB来实现，方法与校正通道A的相同。

b、相位校正

在PF=0.5L，输入信号为100%Un、100% Ib的情况下，从校表台上获得的误差为err，则相位误差补偿为公式2，对50Hz的电网而言，PHSA有0.02^0/LSB的关系，则：如果θ>=0，PHSA =INT(θ/0.02^0)；如果θ<0，PHSA =INT(2^8+θ/0.02)-96。

通道B的相位校正可通过配置PHSB来实现，方法与校正通道A的相同。

c、有功偏置电流校正

在小信号1.0的情况下，如果小信号偏差较大，可通过调整有功功率偏置电流校正寄存器来修正小信号的偏差。在PF=1.0，Vu=Un，Vi=0的情况下，等待DPUDIF的更新，通过MCU取PowerA的值，读取若干次去平均值，取平均值的补码的后4位写入APOSA校正寄存器。

通道B的有功偏置电流校正可通过配置APOSB来实现，方法与校正通道A的相同。

(2) 电压、电流计算

有效值的校正流程是先校正电流的偏置电流，校正偏置电流后，再进行电流转换系数KIA及电压转换系数KU的计算，在PF=1.0、100%Un、Ib的情况下读取IARMS寄存器的数值，根据公式KIA=IARMS/Ib可得到电流通道A的转换系数，按同样的方法可得电压通道的转换系数KU。

图4：基于CSE7780的智能节能插座系统主程序流程图。

本文小结

基于CSE7780的智能节能插座目前已经获得多家企业的成功批量应用。该节能插座经过测试，其系统显示出良好的控制效果，能够灵敏地检测到负载是否过载及待机的状态，有效保护电器的安全，受到此类产品制造商的青睐，并开始批量销往海外。