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STPM01/STPM1X电能计量芯片




随着中国电子式电表市场的迅猛发展,电能计量芯片得到了广泛应用。与其它电能计量芯片相比,STPM01/STPM1X具有精度高,功耗低,可实现防窃电和数字式快速校表等特点。STPM01已成功应用于单相/三相智能电表,被世界智能计量领域的领先厂商ENEL及ISKRAEMECO所采用,交付使用超过1百万片。产品的可靠性和技术指标在实际量产中得到验证。

STPM01/STPM1X电能计量芯片的特点

STPM01是意法半导体公司推出的第一款高精度电能计量专用芯片,主要特点如下:

.精度高(0.1%);
.测量有功电能、无功电能、视在电能、电网频率、电压有效值和瞬时值以及电流有效值和瞬时值。其中对于有功电能,可计量有功基波电能和有功谐波总电能(基波至第50次谐波);
.火线和零线电流自动监测,可实现防窃电功能;
.支持锰铜分流器(SHUNT)、电流互感器(CT)和罗高夫斯基线圈(ROGOWSKI COIL)电流采样;
.3.3V 至 5V芯片供电,功耗低;
.1.5V 和 3V 内置电压调节器可提供1.5V 和 3V 两路电压输出;
.内置56 BIT OTP 及其影子内存(RAM),可放置电表配置数据及电表校准数据参数;
.数字式快速校表;
.符合IEC62052-11和IEC62053-2X 规范。

STPM1X是意法半导体公司针对中国中低端电表市场推出的单相电能计量芯片系列。它由STPM11、STPM12、STPM13 和STPM14四个产品型号组成。它继承了STPM01精度高(0.1%),功耗低和可靠性高等特点,同时去除了在中低端市场不需要的功能因而其价格更具竞争力。它与STPM01 封装完全一致且引脚完全兼容(TSSOP20封装)。STPM11、STPM12 是单电流通道计量芯片。STPM13、STPM14 是双电流通道计量芯片,具有防窃电功能。

STPM01/STPM1X外围电路参数设计

电能计量芯片是电表的核心器件,其外围电路设计是否合理直接关系到整个电表的性能和精度。STPM01/STPM1X外围电路参数设计过程就是确定电压通道分压系数及电流通道分流系数来选择合适的电阻和电流传感器。

整个设计过程按如下三个步骤进行:

第一, 根据设计要求确定所设计的电能表的参数,如脉冲常数Pl(本文中也称做低频脉冲常数)、额定电压Vn、基本电流Ib和最大电流Imax,以及是否需要防窃电功能, 选择何种类型的电流传感器。

第二, 确定电压通道分压系数Sv和电流通道分流系数Si的关系及取值范围。

第三, 在Sv和Si的取值范围内,先确定电流传感器参数以得到Si,再推出Sv以确定电压通道分压电阻值。或者先确定电压通道分压电阻值以得到Sv,再推出Si以确定电流传感器参数。

下面将详细阐述第二步,主要内容为三个公式(公式(1)、(2)、(3))的建立和参数说明。

根据STPM01/STPM1X芯片的内部设计建立下式:

其中Sv-电压通道分压系数(V/V),Si-电流通道分流系数(V/A),Ph-高频脉冲常数(Pulses/KWH),Vbg-内部参考电压(1.23V),DL-内部常数(211),Fm-内部计算频率(223),Gv-电压通道Decimation Filter增益(1.004),Gi-电流通道Decimation Filter增益(0.502),Kv-电压通道校正系数,Ki-电流通道校正系数,Av-电压通道放大器增益(4),Ai-电流通道放大器增益(8,16,24,32)。

公式(1)中不少参数在芯片的设计中已经固定,下面对一些需确定的参数做一些解释。

电流通道分流系数Si对于不同的电流传感器计算有所不同。对于电流互感器,Si=Kct×Rload,其中Kct为电流互感器二次和一次比,Rload是电流互感器二次负载。对于分流器,Si=Rshunt,其中Rshunt是分流器的电阻。

高频脉冲常数Ph和低频脉冲常数Pl之间的关系可通过芯片内部的寄存器KMOT、APL来配置。
Kv、Ki分别是电压通道校正系数和电流通道校正系数,由下式给出:
 
其中Cv、Ci分别是电压通道和电流通道的寄存器的值,取值范围是0-255,通常在初始设计时取为128,则Kv=0.875,Ki=0.875。

电流通道放大器增益Ai可通过芯片内部的寄存器PST、ADDG来配置。

根据芯片电压输入引脚的最大允许输入电压可建立下式:
(2)
其中Vn-电表额定电压(V),Sv-电压通道分压系数(V/V),Vvmax-电压通道最大允许输入电压(0.3V)。

根据芯片电流输入引脚的最大允许输入电压可建立下式:

其中Imax-电表最大电流(V),Si-电流通道分流系数(V/V),Vimax-电流通道最大允许输入电压(V)。

Vimax可以通过Ai确定(表1)。

结合公式(1)、(2)和(3),可推出SV和Si的关系和范围。


设计实例:基于STPM14电能计量芯片的单相电能表电路参数设计

我们以STPM14为例,设计一款单相电能表。假设设计要求如下:

.脉冲常数1600 Pulses/KWH;
.额定电压220V, 基本电流10A, 最大电流40A, 频率50Hz;
.防窃电功能,两路电流通道, 一路用CT,另外一路用SHUNT。

第一,根据设计要求确定电能表参数(表2)。

第二,确定电压通道分压系数Sv和电流通道分流系数Si的关系及取值范围。

配置APL=1, KMOT=0,根据Ph与Pl关系,得到Ph=Pl×64=1600×64=102400。

主电流通道用CT, 次电流通道用SHUNT。主电流通道Ai=8;次电流通道Ai=32。又根据表1,主电流通道Vimax=0.15V;次电流通道Vimax=0.035V。

将上述数值代入(1)、(2)和(3),得到:

主电流通道(电流互感器):
 

次电流通道(分流器):

其中 -主电流通道分流系数, -次电流通道分流系数。

通过计算,得到Sv、和的范围如下:

主电流通道(电流互感器):
3.208×10-4<Sv<9.644×10-4  (10)
8.822×10-4<<2.652×10-3 (11)
次电流通道(分流器):
3.437×10-4<Sv<9.644×10-4  (12)
2.206×10-4<<6.188×10-4 (13)

第三,考虑到Sv容易通过更换电阻值来修改,而Si修改起来相对困难一些,所以先确定Si再确定Sv。对于双电流通道,通常先确定分流器通道的值。

由式(13),可知分流器的选择范围在221mW~619mW。我们选择市场上常见的阻值为300mW的分流器,看是否满足要求。

将=3×10-4代入式(7),计算出Sv=7.092×10-4,满足式(10)和(12)。再将Sv=7.092×10-4代入式(4),计算出=1.200×10-3,满足式(11)。验证成功。
如果任意一步不满足条件,需要重新选值确定。

接下来由的值确定电流互感器。因为Si=Kct×Rload=1.200×10-3,我们可以选择1000:1的电流互感器,负载电阻为1.2W。

最后选择合适的分压电阻使分压系数为Sv=7.092×10-4。选用3只220KW电阻和1只2KW电阻做分压器,1只470W电阻为取样电阻。实际分压系数为:, 接近预定值。

STPM14的外围电路参数设计已经完成,电路设计图如图1所示。

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