CS5463型电能测量电路的原理及应用

摘要：CS5463是美国Cirrus Logic公司生产的电能测量电路，集成了2个△-∑模数转换器，有AC和DC校准功能及相位补偿，可以进行多种电能的高速计算，数据通过串行接口对外连接。该电路为数字电能表制造商提供了高度精确且成本低廉的电能测量方案。
关键词：CS5463；电能测量；AC/DC校准；串行接口

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。

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。

    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。

    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。