电能计量在家电产品中的应用探讨

侯丽丽

（广东省珠海市格力电器股份有限公司 519070）

随着电子产业的高速发展，电能计量已发展到采用高精度、高性价比、设计简单的专用集成化电能计量芯片。电能计量的小型化、集成化、低成本化，使电能计量技术应用于目前对成本要求近乎于苛刻的家电产品中成为可能，而该技术在家电产品中的应用，也顺应了当今社会呼吁人们节能环保的潮流。本文以目前在电能计量中应用最为广泛的美国ADI 公司推出的电量计量专用芯片ADE7755为例，简单探讨一下电能计量在家电产品中的实际应用及其制约性。

1 ADE7755 芯片工作原理介绍

ADE7755 是一种高精度的电能测量集成芯片，它采用电压和电流直接相乘的方法得到瞬时有功功率，再由瞬时有功功率求出平均有功功率。电压和电流经采样后，经两路A/D 转换器转换成数字信号。电流通道中的高通滤波器是用来滤除电流分量中的直流电流，以便减小电流直流分量对瞬时有功功率计算的影响。滤波后的电流信号和电压信号经乘法器相乘，所得的信号再经过低通滤波器滤掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬时有功功率。此信号经过数频转换器转换成与平均有功功率成正比的低频信号经过F1、F2 端口输出，同时从高频口CF 输出与瞬时有功功率成正比的脉冲信号。低频端口F1 和F2的输出脉冲频率Freq（Hz）与高频端口CF的输出脉冲频率Fcf（Hz）由下面两个公式确定：

公式中：

Vi-电流通道的差动电压输入有效值（V）；

Vv-电压通道的差动电压输入有效值（V）；

Gin-1，2，8，16，取决于 PGA 增益，由 G0和G1的逻辑输入决定；

F1-4-由主时钟CLKIN 分频获得，分频系数由S0 和S1的逻辑输入决定（Hz）；

K-为比例系数，由SCF、S0 和S1的逻辑输入决定；

Vref-ADE7755的片内基准电压2.5V。

2 电源方案设计

方案一，采用由电容分压网络构成的简单低成本电源方案从电网直接供电。大部分的电压都将落在电容C2的两端，C2 是一个470nF 耐压275V的金属聚酯薄膜电容。电容C2 上的电压通过7805 稳压块产生稳定的＋5V 电压给主芯片ADE7755 供电。方案二，通过高频变压器的初级绕组供电。以上两种电源方案，可以根据控制器主板所采用的电源方案来选取。

3 计量电路部分

3.1 电流通道

电流采样方案有两种，一种是采用电流互感器，另一种是采用分流器。电阻和电容组成一阶低通滤波器，滤除电流通道中的高频分量。采用电流互感器的方案，其优点是实现了强弱电隔离，芯片ADE7755 可与控制器主板上的主芯片共电源，而无需单独的供电方案，缺点是成本相对较高。分流器方案是目前电能计量中应用最为广泛的方案，具有低功耗、低成本的优点。分流器的材料为锰铜合金，分流器的阻值根据三个原则选取：1、锰铁分流器的发热情况要符合相应的技术要求；2、电流通道在流过最大负载时，其差动电压不应超过半满度值，电流通道的满度值（即最大差动信号）由G0 和G1的逻辑输入决定；2、符合F1 和F2的频率限制要求。例如，设计最大负载电流为30A（有效值），选定G0＝1，G1＝1，此时电流通道的满度值为±30mV（峰峰值），根据以上三个原则，可选取350uΩ的锰铜分流器。

3.2 电压通道

电压采样方案也有两种，一种是采用电压互感器，另一种是利用电阻分压网络。采用电压互感器的方案,其有缺点和采用电流互感器的方案一样。利用电阻分压网络是目前电能计量中应用最为广泛的方案，其最大优势在于低成本。

由于电能表的实际工作环境和元件参数的误差，在电阻分压网络中，需设计一个电阻调整网络，使得在一定范围内可调整信号电压的大小，校验ADE7755 电能输出脉冲的频率，调整电能表的精度。综合ADE7755的片内基准电压有±8%的误差，锰铜分流器精度是±5%，采样电阻的精度等考虑，一般应使该电阻分压网络至少有±30%的校验范围。在设计电阻分压网络时，一般应使其标称电压设在半满度左右。

4 设计实例

输入电压＝220VAC，Imax＝30A，Ib＝5A，分流器阻值＝350uΩ，仪表常数＝3200imp/kwhr（即期望当消耗1 度电能时，CF 引脚输出3200 个脉冲），工作模式（SCF、S1、S0）＝1、0、1，系统增益＝16，即±30mV。

根据上面的设置数据，得到公式（1）和公式（2）中的各参数值为：K=64，Gin＝16，F1-4＝3.4HZ，Vref＝2.5V，Vi＝5A ×350uΩ ＝1.75mV，Fcf＝3200/3600＝0.8889HZ，将以上参数带入公式得：

即在标准条件下，当电压通道的差动输入电压为113.13mV 时，电能测试模块的CF输出引脚在每消耗1 度电时，输出32000 个脉冲。根据以上得出的Vv 计算值，设计电压通道的电阻分压网络即可。

5 电能计量模块的校准

由于固有误差的存在，批量生产出来的电能计量模块不可能都完全符合设计要求，这就需要对电能计量模块进行校准。校准的方法也有两种，一种是软件校准，一种是硬件校准。

软件校准是在标准条件下（如上例就是在220VAC 电压，让分流器通过5A的电流），将CF的输出脉冲数与标准脉冲数（如上例就是3200imp/kwhr）比较，通过软件校准常量来实现对电能计量模块的校准。软件校准要求主控芯片端必须带记忆，但可简化电压通道端的电阻分压网络的设计。

硬件校准就是利用电阻分压网络，在标准条件下，测试电压通道的差动输入电压，与标准电压相比较（如上例就是113.13mV），通过微调电压通道的电阻值来实现电能计量模块的校准。与软件校准相比，硬件校准不要求主控芯片端必须带记忆，成本相对较低。

6 结束语

除了美国ADI 公司之外，国内一些优秀的电能计量芯片制造厂商，如上海贝岭、上海钜泉等，也推出了自己的计量芯片产品，且其系列产品在外形封装、功能引脚上均能与ADI 公司相应的计量芯片兼容，性能紧随其后，而成本相对于ADI 公司的产品来说却有着很大的优势。在国内计量芯片的销售市场上，国产的计量芯片占据了相当大一部分的市场份额。

在家电产品的实际应用中，电能计量模块选择锰铜分流器、电阻分压网络的方案，在成本上优势较大。在校准方面，硬件校准方案的成本相对较低，限制较少，但无论采用何种校准方式，都需要有能提供Ib 电流的标准源设备，都需要对每一个电能计量模块进行一一校准，这对仅将电能计量作为附加功能的家电产品的生产来说，存在了很大的限制。因此，电能计量功能是否会广泛应用于家电产品中，还得看今后技术的进一步发展和人们对于节能环保意识的重视程度。

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

[2]钜泉光电科技（上海）有限公司TT7021B用户手册.

[3]上海贝岭IC 应用文集.