基于CS5467的电源转换效率测量系统的设计

　　摘 要： 在测量芯片CS5467的基础上设计了一种转换效率" title="转换效率">转换效率 " title="电源转换效率" title="电源转换效率">电源转换效率 ">电源转换效率 测量系统" title="测量系统">测量系统 。论述了测量系统的工作原理和软、硬件设计，并以单片机STC12C5410为核心设计了SPI接口通信电路。
　　关键词： CS5467; 测量系统; 转换效率; SPI接口

　　随着电力电子事业及科学技术的高速发展，电源的应用越来越广泛。无论是工厂、矿山等民用设施，还是国防军事领域，电源的身影随处可见，而电源的转换效率作为一项重要参数也日益受到重视。
　　通常测量电源转换效率的方法都是采用手工计算。通过万用表分别测量出电源输入" title="电源输入">电源输入 端和输出端的电压值和电流值，通过人工计算得到电源的转换效率。这种方法存在测量困难、测量精度" title="测量精度">测量精度 低等缺点，特别是在交流电源非阻型负载的条件下，不能真实、准确地反映出电源的转换效率。
　　本文给出了基于Cirrus Logic公司的CS5467四路电能计量芯片，并以宏晶公司的单片机STC12C5410为控制芯片设计开发的一款电源转换效率测量系统。在试验应用中，该系统以逆变电源为平台，具有实时监测和显示等功能，可以方便、直观地对电源转换效率进行监控。
1 系统总体设计方案
　　系统原理框图如图1所示。逆变电源输入端连接外电，同时从电源输入端引线与测量系统输入1端连接，通过电压传感器和电流传感器感应出逆变电源输入端电压值和电流值，将数据送入CS5467，经计算得到电源输入功率值；测量系统的输入2端连接电源的输出端，通过电压传感器和电流传感器得到逆变电源输出端电压值和电流值，将数据送入CS5467，经计算得到电源输出功率值，将两者作除法运算即可得到电源的转换效率。通过单片机STC12C5410的控制，可以实现系统的实时控制和显示等功能。

测量系统包括单片机STC12C5410、测量芯片CS5467、互感器和显示电路等。测量系统原理简图如图2所示。

2 系统硬件构成
2.1 CS5467芯片介绍
　　CS5467是一个包括4个△∑模数转换器（ADC）、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的四路功率/能源电表IC。它能精确测量瞬时电流和电压，计算VRMS和IRMS、瞬时功率、有用功率、视在功率以及无功功率等。芯片内部结构如图3所示。

　　芯片主要性能特点如下：
　　(1)电能数据线性度在1 000:1动态范围内为±0.1%；
　　(2)符合IEC、ANSI、JIS工业标准；
　　(3)单电源工作和低功耗；
　　(4)系统校准/相位补偿；
　　(5)单电源地参考信号；
　　(6)电流故障和电压下降检测；
　　(7)内带电源监视器；
　　(8)SPI接口通信。
2.2 传感器的选择
　　电压传感器选择森社电子生产的宇波模块CHV-25P。CHV-25P为闭环霍尔电压传感器，采用霍尔磁补偿工作原理，可测量DC、AC、脉动电压和小电流,具有测量精度高，线性度小(0.1%)，反应时间短(10 滋s)等优点。电路连接如图4(a)所示。
CHV-25P的“+HT”端和“-HT”端为输入端，连接被测电源设备，采集电源的输入电压值；“+”端和“-”端为CHV-25P的供电端口，连接±12V电源；M端为输出端，连接测量系统，将反馈电压值送入CS5467芯片中。R1为前端限流电阻，Rm为输出分压电阻，由于传感器的匝数比为2 500:1 000，额定电流为10mA，所以选择R1=80kΩ/2W和Rm=820Ω的电阻相匹配，实现输入电压和输出电压成40:1的比例关系，及输入电源电压为220V，传感器“M”端感应出的电压为5.5V。但此时感应出的电压值还不能直接送入CS5467中，这是因为CS5467电压通道的满量程为250mV，所以还需要进行分压操作。在此选择10kΩ接地电阻和100Ω电阻匹配，进行100:1的降压操作，使CS5467的输入电压值满足要求。

　　电流传感器选择森社电子生产的宇波模块CHF-500B。CHF-500B为开环霍尔电流传感器，采用霍尔直测式原理，用于测量直流、交流和脉冲电流；具有输出信号与原边电流电气隔离，测量精度高，线性度小(0.1%)，反应时间短(10 滋s)等优点。电路连接如图4(b)所示。
　　将CHF-500B套于导线上，标识方向与电流方向同向，其中“+”端和“-”端为CHF-500B的供电端口，连接±12V电源；“M”端为输出端，连接测量系统，将感应出的电流值送入测量芯片CS5467中；“⊥”端接地。
2.3 SPI接口通信
　　CS5467具有SPI串行通信接口，很容易实现与单片机的通信。接口电路如图5所示。

　　SPI通信是通过SDI、SDO、CS和SCLK等四个引脚实现的。为保证能正确读取CS5467的24位数据寄存器，要严格按照通信命令格式及时序的要求进行。读取寄存器命令格式如表1所示，该命令通知状态机需要对寄存器进行访问。读寄存器时，被寻址的寄存器中的数据被传送到输出缓冲器中由SCLK 移位输出；写寄存器时，数据由SCLK 移入输入缓冲器并在第24个SCLK出现后写入被寻址的寄存器。命令序列由8位二进制数组成，前导位为固定值“0”，不能更改；随后一位为读写控制位，为0则执行写命令，为1则执行读命令；后面5位RA4～RA0为寄存器的地址码；最后一位为固定值“0”，不能更改。图6说明了这8位数据的操作时序。每种寄存器可以单独读取，也可以连续读取多个寄存器的时钟上升沿之后，SDO引脚随着此时钟下降沿变为低电平，以后每个时钟的下降沿，SDO引脚的数据都有效。24位数据是按先高位后低位的顺序移出的。

　　STC12C5410单片机为了和CS5467的SPI通信相对应，单片机选择主模式作为主机工作，CS5467作为从机工作。主机和从机的两个移位寄存器可以看作是一个16位循环移位寄存器。当数据从主机移位传送到从机的同时，数据也以相反的方向移入。这意味着在一个移位周期中，主机和从机的数据相互交换。按照CS5467的时序图要求，STC12C5410配置如下：控制位CPHA=1，前时钟沿驱动，后时钟沿采样，CPOL=0，SPICLK空闲时为低电平，前时钟沿为上升沿，后时钟沿为下降沿。SPI时钟速率选择为CPUCLK/32。
　　电路设计中，为提高SPI通信的可靠性，在时钟CLK、SDI、SDO各线上可加100pF的对地电容以滤除掉干扰毛刺。
2.4 显示电路
　　显示部分采用74LS145芯片和74LS245芯片与数码管连接，设计三表头显示，分别显示输入功率、输出功率和转换效率。其中STC12C5410单片机的I/O端口P2.0～P2.7与74LS245芯片的B1～B7端口连接，用于传送显示数据；单片机的I/O端口P3.2～P3.6与两片74LS145芯片的A～D端口连接，用于选择显示项目。
3 系统软件设计
　　该系统的软件设计主要完成SPI数据读取及处理和参数的显示等工作，程序采用汇编语言编写,程序框图如图7所示。对电能寄存器的读取和处理要注意24位电能寄存器是否溢出，如溢出则要把新读取的数加0X00FFFFFF后再与前一读数相减，才能得到正确的电能值。

　　本文介绍了电源转换效率测量系统的工作原理和软、硬件设计。系统对测量电源品质有一定的作用，既可以应用于电源出厂前的例行测试，又可以为电源使用者在选购电源时提供准确、直观的帮助。

参考文献
[1] CirrusLogic Inc.CS5467DataSheet[DB/OL].http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5467_F1.pdf, 2006.
[2] 宏晶科技公司.STC12C5410AD Data Sheet [DB/OL].http://soft.laogu.com/download/stc12c5410ad.pdf, 2002.