電能計量在家電產品中的應用探討

侯麗麗

（廣東省珠海市格力電器股份有限公司 519070）

隨著電子產業的高速發展，電能計量已發展到采用高精度、高性價比、設計簡單的專用集成化電能計量芯片。電能計量的小型化、集成化、低成本化，使電能計量技術應用于目前對成本要求近乎于苛刻的家電產品中成為可能，而該技術在家電產品中的應用，也順應了當今社會呼吁人們節能環保的潮流。本文以目前在電能計量中應用最為廣泛的美國ADI 公司推出的電量計量專用芯片ADE7755為例，簡單探討一下電能計量在家電產品中的實際應用及其制約性。

1 ADE7755 芯片工作原理介紹

ADE7755 是一種高精度的電能測量集成芯片，它采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時有功功率，再由瞬時有功功率求出平均有功功率。電壓和電流經采樣后，經兩路A/D 轉換器轉換成數字信號。電流通道中的高通濾波器是用來濾除電流分量中的直流電流，以便減小電流直流分量對瞬時有功功率計算的影響。濾波后的電流信號和電壓信號經乘法器相乘，所得的信號再經過低通濾波器濾掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬時有功功率。此信號經過數頻轉換器轉換成與平均有功功率成正比的低頻信號經過F1、F2 端口輸出，同時從高頻口CF 輸出與瞬時有功功率成正比的脈沖信號。低頻端口F1 和F2的輸出脈沖頻率Freq（Hz）與高頻端口CF的輸出脈沖頻率Fcf（Hz）由下面兩個公式確定：

公式中：

Vi-電流通道的差動電壓輸入有效值（V）；

Vv-電壓通道的差動電壓輸入有效值（V）；

Gin-1，2，8，16，取決于 PGA 增益，由 G0和G1的邏輯輸入決定；

F1-4-由主時鐘CLKIN 分頻獲得，分頻系數由S0 和S1的邏輯輸入決定（Hz）；

K-為比例系數，由SCF、S0 和S1的邏輯輸入決定；

Vref-ADE7755的片內基準電壓2.5V。

2 電源方案設計

方案一，采用由電容分壓網絡構成的簡單低成本電源方案從電網直接供電。大部分的電壓都將落在電容C2的兩端，C2 是一個470nF 耐壓275V的金屬聚酯薄膜電容。電容C2 上的電壓通過7805 穩壓塊產生穩定的＋5V 電壓給主芯片ADE7755 供電。方案二，通過高頻變壓器的初級繞組供電。以上兩種電源方案，可以根據控制器主板所采用的電源方案來選取。

3 計量電路部分

3.1 電流通道

電流采樣方案有兩種，一種是采用電流互感器，另一種是采用分流器。電阻和電容組成一階低通濾波器，濾除電流通道中的高頻分量。采用電流互感器的方案，其優點是實現了強弱電隔離，芯片ADE7755 可與控制器主板上的主芯片共電源，而無需單獨的供電方案，缺點是成本相對較高。分流器方案是目前電能計量中應用最為廣泛的方案，具有低功耗、低成本的優點。分流器的材料為錳銅合金，分流器的阻值根據三個原則選取：1、錳鐵分流器的發熱情況要符合相應的技術要求；2、電流通道在流過最大負載時，其差動電壓不應超過半滿度值，電流通道的滿度值（即最大差動信號）由G0 和G1的邏輯輸入決定；2、符合F1 和F2的頻率限制要求。例如，設計最大負載電流為30A（有效值），選定G0＝1，G1＝1，此時電流通道的滿度值為±30mV（峰峰值），根據以上三個原則，可選取350uΩ的錳銅分流器。

3.2 電壓通道

電壓采樣方案也有兩種，一種是采用電壓互感器，另一種是利用電阻分壓網絡。采用電壓互感器的方案,其有缺點和采用電流互感器的方案一樣。利用電阻分壓網絡是目前電能計量中應用最為廣泛的方案，其最大優勢在于低成本。

由于電能表的實際工作環境和元件參數的誤差，在電阻分壓網絡中，需設計一個電阻調整網絡，使得在一定范圍內可調整信號電壓的大小，校驗ADE7755 電能輸出脈沖的頻率，調整電能表的精度。綜合ADE7755的片內基準電壓有±8%的誤差，錳銅分流器精度是±5%，采樣電阻的精度等考慮，一般應使該電阻分壓網絡至少有±30%的校驗范圍。在設計電阻分壓網絡時，一般應使其標稱電壓設在半滿度左右。

4 設計實例

輸入電壓＝220VAC，Imax＝30A，Ib＝5A，分流器阻值＝350uΩ，儀表常數＝3200imp/kwhr（即期望當消耗1 度電能時，CF 引腳輸出3200 個脈沖），工作模式（SCF、S1、S0）＝1、0、1，系統增益＝16，即±30mV。

根據上面的設置數據，得到公式（1）和公式（2）中的各參數值為：K=64，Gin＝16，F1-4＝3.4HZ，Vref＝2.5V，Vi＝5A ×350uΩ ＝1.75mV，Fcf＝3200/3600＝0.8889HZ，將以上參數帶入公式得：

即在標準條件下，當電壓通道的差動輸入電壓為113.13mV 時，電能測試模塊的CF輸出引腳在每消耗1 度電時，輸出32000 個脈沖。根據以上得出的Vv 計算值，設計電壓通道的電阻分壓網絡即可。

5 電能計量模塊的校準

由于固有誤差的存在，批量生產出來的電能計量模塊不可能都完全符合設計要求，這就需要對電能計量模塊進行校準。校準的方法也有兩種，一種是軟件校準，一種是硬件校準。

軟件校準是在標準條件下（如上例就是在220VAC 電壓，讓分流器通過5A的電流），將CF的輸出脈沖數與標準脈沖數（如上例就是3200imp/kwhr）比較，通過軟件校準常量來實現對電能計量模塊的校準。軟件校準要求主控芯片端必須帶記憶，但可簡化電壓通道端的電阻分壓網絡的設計。

硬件校準就是利用電阻分壓網絡，在標準條件下，測試電壓通道的差動輸入電壓，與標準電壓相比較（如上例就是113.13mV），通過微調電壓通道的電阻值來實現電能計量模塊的校準。與軟件校準相比，硬件校準不要求主控芯片端必須帶記憶，成本相對較低。

6 結束語

除了美國ADI 公司之外，國內一些優秀的電能計量芯片制造廠商，如上海貝嶺、上海鉅泉等，也推出了自己的計量芯片產品，且其系列產品在外形封裝、功能引腳上均能與ADI 公司相應的計量芯片兼容，性能緊隨其后，而成本相對于ADI 公司的產品來說卻有著很大的優勢。在國內計量芯片的銷售市場上，國產的計量芯片占據了相當大一部分的市場份額。

在家電產品的實際應用中，電能計量模塊選擇錳銅分流器、電阻分壓網絡的方案，在成本上優勢較大。在校準方面，硬件校準方案的成本相對較低，限制較少，但無論采用何種校準方式，都需要有能提供Ib 電流的標準源設備，都需要對每一個電能計量模塊進行一一校準，這對僅將電能計量作為附加功能的家電產品的生產來說，存在了很大的限制。因此，電能計量功能是否會廣泛應用于家電產品中，還得看今后技術的進一步發展和人們對于節能環保意識的重視程度。

[1]美國Analog Devices Inc 公司ADE7755的DATA SHEEF.

[2]鉅泉光電科技（上海）有限公司TT7021B用戶手冊.

[3]上海貝嶺IC 應用文集.