三相双向功率/电度表芯片SA9105F的原理与应用

    摘要：SA9105F是SAMES公司推出的一种新型三相双向功率/电度表芯片，它内部集成了三相功率/电能测量所需的电压和电流检测、A/D转换器和功率计算等功能。SA9105F在外围连接少量的元件，即可构成一个功率/电能仪表或一个控制系统中的部件。文中给出了SA9105F的原理、特性、功能及应用电路。

    关键词：SA9105F 三相功率 电能仪表 计量

SA9105F三相电能仪表集成芯片非常适用于工业/民用或电能控制系统的设计。它输出的脉冲串可用来指示能量的传送方向，由于其脉冲频率正比于能量消耗的大小，因此一段时间内所累积测量的功率结果就确定了能量消耗。因而可用于有功功率的测量方面，同时，SA9105F还考虑到了功率因素。

1 封装及管脚描述

SA9105F集成电路有两种封装形式，其中SA9105FPA为DIP-40封装，SA9105FFA为PLCC-44封装，图1是DIP-40封装的管脚分布图，表1所列为其引脚功能说明。

表1 SA9105F的管脚功能描述

管脚序号标号功能描述管脚序号标号功能描述35GND地36COP2连接A/D转换电容的外部循环电容28VDD正电源电压30CON316VSS负电源电压31COP36IIN1电流检测输入：A相13CONP7IIP112COPP34IVP1电压模拟量输入：A相
电压模拟量输入：B相
电压模拟量输入：C相1CIN1连接A/D转换电路的内部循环电容33IVP240CIP132IVP33CIN28IIN2电流检测输入：B相2CIP29IIP25CIN310IIN3电流检测输入：C相4CIP311IIP315CINP25DIR方向指示输出14CIPP19OSC1连接到晶体或陶瓷振荡器（OSC1：输入；OSC2：输出）29VREF连接到电流调节电阻20OSC227TP27测试管脚，与VSS相连21FOUT1脉冲输出17TP17厂家测试管脚23FOUT218TP1838CON1连接A/D转换电路的外部循环电容22TP2239COP124TP2437CON226TP26

2 主要特征

SA9105F的主要特征如下：

●可进行双向一、二、三相功率/电能测量；

●符合IEC521/1036的1组交流电能表技术要求；

●工作温度范围宽；

●用电流互感器作电流检测元件；

●具有良好的长期稳定性；

●调试方便；

●内置电压基准；

●具有两路输出脉冲格式可选；

●具有防静电保护功能。

3 功能描述

SA9105F是数字/模拟混合型集成电路，可进行三相电能的计算，在1000：1的范围内，其精度优于1级。

SA9105A芯片内集成了三相电能测量所需的全部功能，如电压、电流检测端的A/D转换器、功率的计算和能量的积分等。其内部的偏移误差可通过程序加以修正。

SA9105F产生的脉冲频率正比于测量所得的功率，它有两种频率输出格式（FOUT1、FOUT2）可供选择。并能以脉冲频率形式输出有功功率的瞬时值，其功率的方向则以脉宽的变化来反应。

3.1 功率的计算

图2是SA9105F的应用电路图。从电路中可以看出，来自A、B、C三相的电压信号被转换成电流并加到电压检测端口IVP1、IVP2和IVP3。

电路中的主电压（3×230VAC）被分压电路分压至14V，通过电阻R15、R16和R17加到电压检测端口，以使得输入到电压检测端口的A/D转换器的输入电流为14μA。

在额定条件下，电流互感器的匹配电阻上的电压降通过电阻R8、R9（A相），R10、R11（B相），R12、R13（C相）转换成16μA的电流传送给电流检测端口IIN1、IIP1；IIN2、IIP2；IIN3、IIP3。

在这种结构条件下，当主电压为3×230V、额定电流为80A时，SA9105F集成电路的FOUT1和FOUT2的输出频率是64Hz。此时1个脉冲相当于3×18.4kHz=862.5Ws的功率消耗。

3.2 模拟输入

把SA9105F的电流或电压检测端（IIP、IIN或IVP）通过保护二极管与VDD或VSS相加，可有效地防止在模拟运放输入端出现的过压现象。

3.3 静电保护和功耗

集成电路SA9105F的输入/输出端口匀有静电放电保护。在5V供电时，SA9105F的总功耗小于50mW。

3.4 脉冲信号输出

在上述额定条件下，累计的功率消耗被转换成64Hz的脉冲串，从FOUT1和FOUT2输出。脉冲输出信号提供电能和方向的信息，FOUT1和FOUT2是两种脉冲输出形式，它们的区别在于：电能流动的方向在FOUT1上表现为占空比的倒置，而在FOUT2上表现为脉冲宽度的变化。

计算输出频率(f)的公式为：

f=11.16×FOUTX{(FOSC/3.58MHz)[(II1IV1)+(II2IV2)+(II3IV3)]/3I 2 R}

式中，FOUTX是额定条件下的频率值（64Hz）；FOSC为振荡器频率（2MHz......4MHz）；II1、II2、II3为电流检测端的输入电流（在额定条件下为16μA）；IV1、IV2、IV3为电压检测端的输入电流（在额定条件下为14μA）；IR：参考电流（典型值为50μA）。

4 应用设计

在图2 所示的应用中，已标出了所需元件，电流信号的检测使用电流互感器。以下是SA9105F应用电路中的一些元件的典型值和主要作用：其中，C7、C9、C10和C11是外部循环电容，用于A/D转换器。C7的典型值为2.2nF，C9、C10和C11的典型值取560pF。在实际应用中，电容的取值决定信号的稳定性，所有电容的误差均应在±10%以内；C4、C5、C6和C8是内循环电容，用于A/D转换器，容量一般在0.5nF～5nF之间，典型值可取3.3nF。

电流互感器的输出通过限流电阻（R8～R13）接到SA9105F的电流信号检测端。电阻阻值的选择应考虑额定条件下输入到SA9105F电流检测端的电流（均方根值为16μA），其值计算如下：

A相：

R8=R9=(IL1/16μARMS)×R18/2

B相：

R10=R11=（IL2/16μARMS）×R19/2

C相：

R12=R13=（IL3/16μARMS）×R20/2

这里：ILX是额定条件下电流互感器的二次电流；R18、R19、R20为电流互感器输出端的负载电阻；R1、R1A和R15可用来确定A相电压检测端的电流；R2、R2A、R5、P5和R16用于确定B相电压检测端的电流；R3、R3A、R6、P6和R17用来确定C相电压检测端的电流。它们的阻值选择应使电压检测输入端的输入电流在额定条件下为14μARMS。电容C1、C2和C3主要用来耦合和相位补偿。

R14和P14用来为芯片提供偏置和基准电流。其推荐值为：R14+P14=24kΩ，R14的改变会引起输出频率的改变（注：ΔR=+5%,Δf=+10%）。