電能計(jì)量在家電產(chǎn)品中的應(yīng)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(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，電能計(jì)量已發(fā)展到采用高精度、高性價比、設(shè)計(jì)簡單的專用集成化電能計(jì)量芯片。電能計(jì)量的小型化、集成化、低成本化，使電能計(jì)量技術(shù)應(yīng)用于目前對成本要求近乎于苛刻的家電產(chǎn)品中成為可能，而該技術(shù)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用，也順應(yīng)了當(dāng)今社會呼吁人們節(jié)能環(huán)保的潮流。本文以目前在電能計(jì)量中應(yīng)用最為廣泛的美國ADI 公司推出的電量計(jì)量專用芯片ADE7755為例，簡單探討一下電能計(jì)量在家電產(chǎn)品中的實(shí)際應(yīng)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(jīng)采樣后，經(jīng)兩路A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)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(jì)算的影響。濾波后的電流信號和電壓信號經(jīng)乘法器相乘，所得的信號再經(jīng)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(jīng)過數(shù)頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成正比的低頻信號經(jīng)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(shù)由S0 和S1的邏輯輸入決定（Hz）；

K-為比例系數(shù)，由SCF、S0 和S1的邏輯輸入決定；

Vref-ADE7755的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓2.5V。

2 電源方案設(shè)計(jì)

方案一，采用由電容分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的簡單低成本電源方案從電網(wǎng)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(wěn)壓塊產(chǎn)生穩(wěn)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(jù)控制器主板所采用的電源方案來選取。

3 計(jì)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(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)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(dú)的供電方案，缺點(diǎn)是成本相對較高。分流器方案是目前電能計(jì)量中應(yīng)用最為廣泛的方案，具有低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)。分流器的材料為錳銅合金，分流器的阻值根據(jù)三個原則選取：1、錳鐵分流器的發(fā)熱情況要符合相應(yīng)的技術(shù)要求；2、電流通道在流過最大負(fù)載時，其差動電壓不應(yīng)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(shè)計(jì)最大負(fù)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(jù)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(wǎng)絡(luò)。采用電壓互感器的方案,其有缺點(diǎn)和采用電流互感器的方案一樣。利用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)是目前電能計(jì)量中應(yīng)用最為廣泛的方案，其最大優(yōu)勢在于低成本。

由于電能表的實(shí)際工作環(huán)境和元件參數(shù)的誤差，在電阻分壓網(wǎng)絡(luò)中，需設(shè)計(jì)一個電阻調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，使得在一定范圍內(nèi)可調(diào)整信號電壓的大小，校驗(yàn)ADE7755 電能輸出脈沖的頻率，調(diào)整電能表的精度。綜合ADE7755的片內(nèi)基準(zhǔn)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(yīng)使該電阻分壓網(wǎng)絡(luò)至少有±30%的校驗(yàn)范圍。在設(shè)計(jì)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)時，一般應(yīng)使其標(biāo)稱電壓設(shè)在半滿度左右。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

輸入電壓＝220VAC，Imax＝30A，Ib＝5A，分流器阻值＝350uΩ，儀表常數(shù)＝3200imp/kwhr（即期望當(dāng)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(tǒng)增益＝16，即±30mV。

根據(jù)上面的設(shè)置數(shù)據(jù)，得到公式（1）和公式（2）中的各參數(shù)值為：K=64，Gin＝16，F(xiàn)1-4＝3.4HZ，Vref＝2.5V，Vi＝5A ×350uΩ ＝1.75mV，F(xiàn)cf＝3200/3600＝0.8889HZ，將以上參數(shù)帶入公式得：

即在標(biāo)準(zhǔn)條件下，當(dāng)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(jù)以上得出的Vv 計(jì)算值，設(shè)計(jì)電壓通道的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)即可。

5 電能計(jì)量模塊的校準(zhǔn)

由于固有誤差的存在，批量生產(chǎn)出來的電能計(jì)量模塊不可能都完全符合設(shè)計(jì)要求，這就需要對電能計(jì)量模塊進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的方法也有兩種，一種是軟件校準(zhǔn)，一種是硬件校準(zhǔn)。

軟件校準(zhǔn)是在標(biāo)準(zhǔn)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(shù)與標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)（如上例就是3200imp/kwhr）比較，通過軟件校準(zhǔn)常量來實(shí)現(xiàn)對電能計(jì)量模塊的校準(zhǔn)。軟件校準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

硬件校準(zhǔn)就是利用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，測試電壓通道的差動輸入電壓，與標(biāo)準(zhǔn)電壓相比較（如上例就是113.13mV），通過微調(diào)電壓通道的電阻值來實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量模塊的校準(zhǔn)。與軟件校準(zhǔn)相比，硬件校準(zhǔn)不要求主控芯片端必須帶記憶，成本相對較低。

6 結(jié)束語

除了美國ADI 公司之外，國內(nèi)一些優(yōu)秀的電能計(jì)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(jì)量芯片產(chǎn)品，且其系列產(chǎn)品在外形封裝、功能引腳上均能與ADI 公司相應(yīng)的計(jì)量芯片兼容，性能緊隨其后，而成本相對于ADI 公司的產(chǎn)品來說卻有著很大的優(yōu)勢。在國內(nèi)計(jì)量芯片的銷售市場上，國產(chǎn)的計(jì)量芯片占據(jù)了相當(dāng)大一部分的市場份額。

在家電產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用中，電能計(jì)量模塊選擇錳銅分流器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的方案，在成本上優(yōu)勢較大。在校準(zhǔn)方面，硬件校準(zhǔn)方案的成本相對較低，限制較少，但無論采用何種校準(zhǔn)方式，都需要有能提供Ib 電流的標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)備，都需要對每一個電能計(jì)量模塊進(jìn)行一一校準(zhǔn)，這對僅將電能計(jì)量作為附加功能的家電產(chǎn)品的生產(chǎn)來說，存在了很大的限制。因此，電能計(jì)量功能是否會廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品中，還得看今后技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和人們對于節(jié)能環(huán)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(yīng)用文集.