使用CS5463型进行电能测量的原理及应用

1 引言

CS5463是带有串行接口和△-∑模/数转换器，能够进行高速功率(电能)计算的高度集成电路。CS5463可以通过使用低成本的分压电阻器或电压互感器测量电压，使用分流器或电流互感器测量电流，从而计算出有功功率，因此该电路特别适用于开发单相2线、3线用电表。与上代的CS5460相比，CS5463还能提供视在功率、无功功率等多种参数计算，可满足设计者的多方面需求。此外，CS5463片内还带有温度传感器，有助于设计者调整温度漂移误差，提高测量精度。

2 CS5463的主要特点

CS5463的特性如下：

(1)电能数据在1000：l动态范围内的线性度为±0.1％；

(2)精确测量瞬时电压、电流、功率以及电压、电流有效值；

(3)计算视在、有功和无功功率，基波有功、谐波功率和功率因数；

(4)电能/脉冲转换功能；

(5)低功耗(小于12 mW)；

(6)单电源地参考信号；

(7)内置电源监视器；

(8)从串行EEPROM“自引导”，可以不用微控制器；

(9)简单的3线数字串行接口；

(10)优化的分流电阻器的输入接口；

(11)带有温度传感器；

(12)具有机械计数器/步进电机的驱动器

3 内部结构和引脚功能

3.1 内部结构

CS5463的内部结构框图如图1所示，它由2个可编程增益放大器、2个△-∑调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏置和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。2个可编程放大器采集电压和电流数据，△-∑调制器对模拟量采样处理，高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率，电压、电流，并将计算的功率值通过串行接口对外输出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。该电路还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或步进电机，从而省去微控制器而直接外送用电量，降低电表类产品的成本。

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3.2 引脚功能

• VA+/VA-：正负模拟电源，+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供电；
• VD+/DGND：数字电源和数字地，+5V/0V供电；
• PFMON：掉电监视器，监视模拟电源状况。
• VIN+/VIN-：电压通道的差模模拟输入，范围是±250mV；
• IIN+/IIN-：电流通道的差模模拟输入，范围是±50 mV(PGA设置为50×时)；
• VREFIN/VREFOUT：参考电压输入/输出，为片上调制器提供参考电压及其输出，通常为2.5 V。
• MODB模式选择，用于配置CS5463自引导模式；
• RESET/INT：复位及中断；
• CS：片选信号，为低电平时，端口可识别串行时钟等信号。
• SCLK：串行时钟输入，该时钟信号确定SDI、SDO的输入/输出速率，只在CS低电平时有效；
• SDI/SDO：串行数据输入/输出；
• E1/E2/E3(EOUT)：能量输出，输出低电平有效、频率和能量成比例关系的脉冲，3个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功功率。

4 CS5463的工作原理

　　4.1 输入滤波

电压和电流通道的输入模拟信号送入可编程PGA进行增益放大，放大后由△-∑调制器以一定的采样速度采样，采样的结果再进行高速数字滤波，得到符合要求的数字信号。电压输入通道采用二阶△-∑调制器，高速滤波器由一个固定的Sinc2滤波器实现；电流通道采用四阶△-∑调制器，并用一个Sinc4滤波器实现，与电压通道的范围相比，可以在输入跨度更大的情况下实现电流通道的精确测量。2个通道的数据接着通过2个FIR补偿滤波器来补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。另外，2个通道都提供了一个可选的高通滤波器(HPF)，它可以在有效值、电能计算之前除去电压和电流信号中的直流成分。

4.2 增益及DC偏移量调整

滤波后的瞬态电压和电流的数字量将进行偏移量和增益调整，这是基于DC偏移量寄存器(加法运算)和增益寄存器(乘法运算)的调整。调整后的24位瞬态数据采样值将存入瞬态电压和电流寄存器，用户可以通过串口从中读出采样数据。

4.3 能量计算

以有功功率的计算为例，采样得到瞬态电压和电流的数字量，把每对瞬态电压和电流的数据相乘，得到瞬时有功功率的采样值。每个A/D采样周期后，新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器，N个瞬时功率采样值为一组，每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值，它与电路在N个A/D转换周期中的有功功率值成正比。同样原理，电压和电流有效值也利用最近的N个瞬态电压、电流采样值计算，并可从RMS电压和电流寄存器中读出。

4.4 串行接口

CS5463的串行接口使用了包括2条控制线CS、SCLK和2条数据线SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了带有发送、接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK的上升沿解析8位命令字，根据对命令的解码执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备，内部寄存器都是24位。读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区；写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。

所有的命令字长度均为1个字节。写寄存器命令后必须紧跟1、2或3个字节的寄存器数据；读寄存器命令则发出3字节的寄存器数据。图2和图3分别示出串口缓冲区的读、写时序。

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数据的读和写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字(高位在前)来启动。当命令包含写操作时，串口将在下面24个SCLK周期记录SDI引脚的数据(从高位开始)。寄存器写指令后必须跟24位的数据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器，然后等待下一个命令。启动读命令后，串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO引脚上的寄存器进行内容转移(从高位开始)，寄存器读指令可以终止在8位的边界上。读寄存器时，微控制器可以同时发送新指令，并立即执行新指令，同时终止读操作。

5 CS5463的典型应用

图4所示是以CS5463为核心的住宅用220V单相电源(图中为2线式)系统的典型功率测量连接方式。首先在线路上串、并联适当阻值的分压和分流电阻器，对从电阻器上采样的电压信号进行滤波，图中对称的阻容滤波器更有助于减小电磁干扰，最后得到符合要求的电压信号，送入电路进行实时计算。CS5463提供了数字校准，用户通过设置校准命令字中的相应位来决定执行哪种校准。对于电压和电流通道，都有AC校准和DC校准。

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该电路中用于监测电流的分流电阻器串联在电源的火线端，因为在大多数住宅电能测量应用中，电度表分流器接在火线上有助于发现窃电行为。从这种类型的分流电阻器得到的共模输入电压应以火线电压为参考.这意味着CS5463的输入共模电压相对于地电位会在很高的正电压和负电压之间振荡。因此，在设计CS5463的数字输出接口与外部数字接口(如其他通信网络)时应谨慎。CS5463的数字串行接口引脚必须与外部数字接口隔离，使测量端的参考地电位与外部接口地参考地电位不相互影响，另外，CS5463及其电路必须密封绝缘以防触电。