三相雙向功率/電度表芯片SA9105F的原理與應用

摘要：SA9105F是SAMES公司推出的一種新型三相雙向功率/電度表芯片，它內部集成了三相功率/電能測量所需的電壓和電流檢測、A/D轉換器和功率計算等功能。SA9105F在外圍連接少量的元件，即可構成一個功率/電能儀表或一個控制系統中的部件。文中給出了SA9105F的原理、特性、功能及應用電路。

關鍵詞：SA9105F 三相功率 電能儀表 計量

SA9105F三相電能儀表集成芯片非常適用于工業/民用或電能控制系統的設計。它輸出的脈沖串可用來指示能量的傳送方向，由于其脈沖頻率正比于能量消耗的大小，因此一段時間內所累積測量的功率結果就確定了能量消耗。因而可用于有功功率的測量方面，同時，SA9105F還考慮到了功率因素。

1 封裝及管腳描述

SA9105F集成電路有兩種封裝形式，其中SA9105FPA為DIP-40封裝，SA9105FFA為PLCC-44封裝，圖1是DIP-40封裝的管腳分布圖，表1所列為其引腳功能說明。

表1 SA9105F的管腳功能描述

2 主要特征

SA9105F的主要特征如下：

●可進行雙向一、二、三相功率/電能測量；

●符合IEC521/1036的1組交流電能表技術要求；

●工作溫度范圍寬；

●用電流互感器作電流檢測元件；

●具有良好的長期穩定性；

●調試方便；

●內置電壓基準；

●具有兩路輸出脈沖格式可選；

●具有防靜電保護功能。

3 功能描述

SA9105F是數字/模擬混合型集成電路，可進行三相電能的計算，在1000：1的范圍內，其精度優于1級。

SA9105A芯片內集成了三相電能測量所需的全部功能，如電壓、電流檢測端的A/D轉換器、功率的計算和能量的積分等。其內部的偏移誤差可通過程序加以修正。

SA9105F產生的脈沖頻率正比于測量所得的功率，它有兩種頻率輸出格式（FOUT1、FOUT2）可供選擇。并能以脈沖頻率形式輸出有功功率的瞬時值，其功率的方向則以脈寬的變化來反應。

3.1 功率的計算

圖2是SA9105F的應用電路圖。從電路中可以看出，來自A、B、C三相的電壓信號被轉換成電流并加到電壓檢測端口IVP1、IVP2和IVP3。

電路中的主電壓（3×230VAC）被分壓電路分壓至14V，通過電阻R15、R16和R17加到電壓檢測端口，以使得輸入到電壓檢測端口的A/D轉換器的輸入電流為14μA。

在額定條件下，電流互感器的匹配電阻上的電壓降通過電阻R8、R9（A相），R10、R11（B相），R12、R13（C相）轉換成16μA的電流傳送給電流檢測端口IIN1、IIP1；IIN2、IIP2；IIN3、IIP3。

在這種結構條件下，當主電壓為3×230V、額定電流為80A時，SA9105F集成電路的FOUT1和FOUT2的輸出頻率是64Hz。此時1個脈沖相當于3×18.4kHz=862.5Ws的功率消耗。

3.2 模擬輸入

把SA9105F的電流或電壓檢測端（IIP、IIN或IVP）通過保護二極管與VDD或VSS相加，可有效地防止在模擬運放輸入端出現的過壓現象。

3.3 靜電保護和功耗

集成電路SA9105F的輸入/輸出端口勻有靜電放電保護。在5V供電時，SA9105F的總功耗小于50mW。

3.4 脈沖信號輸出

在上述額定條件下，累計的功率消耗被轉換成64Hz的脈沖串，從FOUT1和FOUT2輸出。脈沖輸出信號提供電能和方向的信息，FOUT1和FOUT2是兩種脈沖輸出形式，它們的區別在于：電能流動的方向在FOUT1上表現為占空比的倒置，而在FOUT2上表現為脈沖寬度的變化。

計算輸出頻率(f)的公式為：

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

式中，FOUTX是額定條件下的頻率值（64Hz）；FOSC為振蕩器頻率（2MHz......4MHz）；II1、II2、II3為電流檢測端的輸入電流（在額定條件下為16μA）；IV1、IV2、IV3為電壓檢測端的輸入電流（在額定條件下為14μA）；IR：參考電流（典型值為50μA）。

4 應用設計

在圖2 所示的應用中，已標出了所需元件，電流信號的檢測使用電流互感器。以下是SA9105F應用電路中的一些元件的典型值和主要作用：其中，C7、C9、C10和C11是外部循環電容，用于A/D轉換器。C7的典型值為2.2nF，C9、C10和C11的典型值取560pF。在實際應用中，電容的取值決定信號的穩定性，所有電容的誤差均應在±10%以內；C4、C5、C6和C8是內循環電容，用于A/D轉換器，容量一般在0.5nF～5nF之間，典型值可取3.3nF。

電流互感器的輸出通過限流電阻（R8～R13）接到SA9105F的電流信號檢測端。電阻阻值的選擇應考慮額定條件下輸入到SA9105F電流檢測端的電流（均方根值為16μA），其值計算如下：

A相：

R8=R9=(IL1/16μARMS)×R18/2

B相：

R10=R11=（IL2/16μARMS）×R19/2

C相：

R12=R13=（IL3/16μARMS）×R20/2

這里：ILX是額定條件下電流互感器的二次電流；R18、R19、R20為電流互感器輸出端的負載電阻；R1、R1A和R15可用來確定A相電壓檢測端的電流；R2、R2A、R5、P5和R16用于確定B相電壓檢測端的電流；R3、R3A、R6、P6和R17用來確定C相電壓檢測端的電流。它們的阻值選擇應使電壓檢測輸入端的輸入電流在額定條件下為14μARMS。電容C1、C2和C3主要用來耦合和相位補償。

R14和P14用來為芯片提供偏置和基準電流。其推薦值為：R14+P14=24kΩ，R14的改變會引起輸出頻率的改變（注：ΔR=+5%,Δf=+10%）。

XTAL是彩電振蕩電路的晶體振蕩器，該振蕩器的頻率在片內被分頻至1.7897MHz，并提供給數字電路和A/D轉換器。