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插頭
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電力電容
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補償控制器
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無功補償控制器
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連接片
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報警熔斷器
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板型電阻
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單圈線繞電位器
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技術文章
基于90E46的單相智能電表設計方案
DQZHAN技術訊:基于90E46的單相智能電表設計方案
智能電能表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分,其技術標準也在不斷地發(fā)展之中,使得相應的芯片技術也在日益提高。以市場需求量*大的單相智能電能表為例,其技術發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
計量準確度要求越來越高,電流范圍越來越寬,從之前的5(20)A到現(xiàn)在的5(60)A,再到1(100)A,早期的計量芯片已無法滿足當前電能表設計的要求,高精度、寬量程的計量芯片被廣泛應用。
數(shù)據(jù)和事件處理要求越來越多,使得MCU的運算能力和程序容量不斷提高,傳統(tǒng)的8-bit MCU會逐漸被32-bit MCU所取代。
智能電能表作為智能電網(wǎng)的*終節(jié)點,其數(shù)據(jù)通信要求越來越強,對外的通信方式有RS485、PLC、紅外,并且要求各通信接口相互獨立并能同時運行;這要求用于電能表設計的MCU具有豐富的硬件通信接口。
IDT的90E46就是順應智能電能表的這種發(fā)展趨勢,在業(yè)界推出的**款集成硬件高精度寬量程計量模塊,ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU內核,LCD驅動和帶溫度補償功能的高精度實時時鐘(RTC)于一體真正意義上的系統(tǒng)級芯片(SoC)。在計量動態(tài)范圍5000:1 內,有功電能準確度優(yōu)于 0.1%,無功電能準確度優(yōu)于0.2%,且只需要單點校準;實時時鐘誤差小于±0.5秒/天。
90E46芯片與硬件設計
90E46芯片簡介
90E46是業(yè)界集成度*高的高精度寬量程單相電能計量SoC,在IDT既有的寬量程計量模擬前端(AFE)的基礎上,集成了ARM Cortex-M0微處理器、LCD驅動和帶溫度補償功能的高精度實時時鐘(RTC),可以減少單相電能表的元器件數(shù)量,簡化設計和生產(chǎn)流程,降低材料成本和庫存管理難度。
90E46具有下列特性:
32位 ARM Cortex M0 內核,6KB RAM, 128KB Flash;
4路獨立UART,UART0支持紅外調制(IR),UART3支持硬件ISO7816協(xié)議;
集成硬件看門狗(WDT),支持中斷功能;
2路25位通用PWM;
1路14位低功耗PWM,用于紅外喚醒;
2路16位定時器
*多45個GPIOs,23個支持5V輸入;
4個外部中斷輸入,可用于系統(tǒng)喚醒;
2路12位GPADC,集成高精度參考電壓源和閾值比較電路;
1路低功耗電壓比較器,用于芯片掉電檢測;
芯片支持運行模式、睡眠模式、待機模式和LCD顯示模式;
內置PLL電路,外部只需32.768kHz晶體即可工作;
符合IEC和ANSIC標準要求;可用于單相1級、2級有功電能表和2級無功電能表;
在計量動態(tài)范圍5000:1內有功電能準確度優(yōu)于 0.1%,無功電能準確度優(yōu)于0.2%;
片內參考電壓源的溫度系數(shù)典型值 6 ppm/ ℃;
電參數(shù)測量:電壓/電流有效值、平均功率、頻率、功率因數(shù)和相角的引用誤差低于0.5%;
在整個動態(tài)范圍內只需要單點校準,可用于50Hz 和 60Hz電網(wǎng);
片內溫度傳感器在-40 ℃~ +85 ℃范圍內準確度±1 ℃;
片內硬件RTC帶頻率補償功能。補償范圍:-3900ppm 到3900ppm,補償精度±0.12ppm;
內置4Com×34Seg / 6Com×32Seg / 8Com×30Seg LCD驅動器,含偏置電壓生成電路;
工作溫度:-40℃~+85℃;
TQFP100 綠色封裝。
硬件設計
90E46采用了高集成度的芯片設計技術,外部只需要少量器件就可以實現(xiàn)*小系統(tǒng)功能。
寬量程電能表的校準和軟件設計
測量/計量校準
采用90E46設計的單相電能表,只需要在Ib電流點進行單點校準,即可保證5000:1動態(tài)范圍內的計量準確度。對于1(100)A的電能表,可以在5A(或10A)電流下進行校表,同樣可以滿足整個電流范圍內的計量準確度。
溫度傳感器
90E46內部集成的溫度傳感器準確度為±1℃,基于該溫度傳感器,可對RTC和參考電壓進行溫度補償,達到更好的計量性能和RTC準確度。
芯片內部有專門的溫度傳感器ADC采樣模塊,該模塊可以設置成周期性自動執(zhí)行的方式,并且可以設定ADC采樣數(shù)據(jù)的上下限閥值和喚醒。這個功能使得低功耗狀態(tài)下的RTC溫度補償特別方便。MCU在進入低功耗狀態(tài)前,只要先設置好溫度自動采樣周期(如20s)和上下限閥值。進入低功耗狀態(tài)后,芯片會自動進行周期性溫度采樣,當ADC采樣值超出上下閥值的范圍時,會喚醒MCU,由MCU對RTC進行溫度補償修正。
實時時鐘(RTC)外置晶振的溫度補償
系統(tǒng)外接單一32768Hz晶體作為系統(tǒng)時鐘源,這也作為RTC的時鐘源。石英晶體振蕩器的振蕩頻率對外部溫度非常敏感,環(huán)境溫度的上升或者下降都會引起中心頻率的漂移,從而造成RTC計時的偏差。為了彌補這種誤差,系統(tǒng)需要實時監(jiān)測晶體周圍環(huán)境溫度,然后根據(jù)晶體的頻率溫度特性對32768Hz晶體的頻率進行動態(tài)的補償,以確保補償后的頻率在整個工作溫度范圍內穩(wěn)定不變。
實時時鐘(RTC)的整個補償過程包括:晶體周圍環(huán)境溫度的采集,和歷史溫度的比較,晶體誤差的計算,補償?shù)葞讉€過程。為了*大限度降低系統(tǒng)功耗,上述 RTC溫度補償過程中的大部分環(huán)節(jié)都可以通過90E46內部相應的硬件電路來實現(xiàn),不需要CPU的干預。
小結
90E46將計量模擬前端(AFE)、微處理器(MCU)、實時時鐘(RTC)和LCD驅動集成到單一芯片中,是真正意義上的單相智能電能表SoC芯片。采用90E46設計的電能表,其外圍器件和電路都變得簡單明了。采用90E46可實現(xiàn)1(100)A的單相電能表設計,從而讓電能表生產(chǎn)廠家采用同一設計涵蓋不同量程的電能表需求,減少產(chǎn)品開發(fā)投入,降低元器件和庫存管理成本。
附錄:產(chǎn)品參數(shù)與測試數(shù)據(jù)
寬量程電能表產(chǎn)品參數(shù)
電能表的基本參數(shù)為:
參比電壓:AC 220V
電流規(guī)格:1(100) A
參比頻率:50Hz
儀表常數(shù):3200imp/kWh, 3200imp/kvarh
計量動態(tài)范圍測試結果
經(jīng)過測試,在20mA~100A的電流范圍內,整表的有功電能計量誤差優(yōu)于±0.2%,無功電能計量誤差優(yōu)于±0.4%,可完全滿足1級表的設計要求。圖5和圖6分別是在PF是1.0和0.5L的情況下有功電能的計量誤差:
實時時鐘測試結果
經(jīng)測試,電能表的實時時鐘在常溫下的準確度小于±5ppm,誤差小于±0.5秒/天。在-40℃~85℃的溫度范圍內,時鐘誤差小于±10ppm。圖7是在 -40℃~85℃溫度范圍內的實時時鐘準確度測試結
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