STPM01/STPM1X電能計量芯片

隨著中國電子式電表市場的迅猛發展，電能計量芯片得到了廣泛應用。與其它電能計量芯片相比，STPM01/STPM1X具有精度高，功耗低，可實現防竊電和數字式快速校表等特點。STPM01已成功應用于單相/三相智能電表，被世界智能計量領域的領先廠商ENEL及ISKRAEMECO所采用，交付使用超過1百萬片。產品的可靠性和技術指標在實際量產中得到驗證。

STPM01/STPM1X電能計量芯片的特點

STPM01是意法半導體公司推出的第一款高精度電能計量專用芯片，主要特點如下：

．精度高(0.1%)；
．測量有功電能、無功電能、視在電能、電網頻率、電壓有效值和瞬時值以及電流有效值和瞬時值。其中對于有功電能，可計量有功基波電能和有功諧波總電能(基波至第50次諧波)；
．火線和零線電流自動監測，可實現防竊電功能；
．支持錳銅分流器(SHUNT)、電流互感器(CT)和羅高夫斯基線圈(ROGOWSKI COIL)電流采樣；
．3.3V 至 5V芯片供電，功耗低；
．1.5V 和 3V 內置電壓調節器可提供1.5V 和 3V 兩路電壓輸出；
．內置56 BIT OTP 及其影子內存(RAM)，可放置電表配置數據及電表校準數據參數；
．數字式快速校表；
．符合IEC62052-11和IEC62053-2X 規范。

STPM1X是意法半導體公司針對中國中低端電表市場推出的單相電能計量芯片系列。它由STPM11、STPM12、STPM13 和STPM14四個產品型號組成。它繼承了STPM01精度高(0.1%)，功耗低和可靠性高等特點，同時去除了在中低端市場不需要的功能因而其價格更具競爭力。它與STPM01 封裝完全一致且引腳完全兼容(TSSOP20封裝)。STPM11、STPM12 是單電流通道計量芯片。STPM13、STPM14 是雙電流通道計量芯片，具有防竊電功能。

STPM01/STPM1X外圍電路參數設計

電能計量芯片是電表的核心器件，其外圍電路設計是否合理直接關系到整個電表的性能和精度。STPM01/STPM1X外圍電路參數設計過程就是確定電壓通道分壓系數及電流通道分流系數來選擇合適的電阻和電流傳感器。

整個設計過程按如下三個步驟進行：

第一， 根據設計要求確定所設計的電能表的參數，如脈沖常數Pl(本文中也稱做低頻脈沖常數)、額定電壓Vn、基本電流Ib和最大電流Imax，以及是否需要防竊電功能, 選擇何種類型的電流傳感器。

第二， 確定電壓通道分壓系數Sv和電流通道分流系數Si的關系及取值范圍。

第三， 在Sv和Si的取值范圍內，先確定電流傳感器參數以得到Si，再推出Sv以確定電壓通道分壓電阻值。或者先確定電壓通道分壓電阻值以得到Sv，再推出Si以確定電流傳感器參數。

下面將詳細闡述第二步，主要內容為三個公式(公式(1)、(2)、(3))的建立和參數說明。

根據STPM01/STPM1X芯片的內部設計建立下式：

其中Sv-電壓通道分壓系數(V/V)，Si-電流通道分流系數(V/A)，Ph-高頻脈沖常數(Pulses/KWH)，Vbg-內部參考電壓(1.23V)，DL-內部常數(211)，Fm-內部計算頻率(223)，Gv-電壓通道Decimation Filter增益(1.004)，Gi-電流通道Decimation Filter增益(0.502)，Kv-電壓通道校正系數，Ki-電流通道校正系數，Av-電壓通道放大器增益(4)，Ai-電流通道放大器增益(8，16，24，32)。

公式(1)中不少參數在芯片的設計中已經固定，下面對一些需確定的參數做一些解釋。

電流通道分流系數Si對于不同的電流傳感器計算有所不同。對于電流互感器，Si=Kct×Rload，其中Kct為電流互感器二次和一次比，Rload是電流互感器二次負載。對于分流器，Si=Rshunt，其中Rshunt是分流器的電阻。

高頻脈沖常數Ph和低頻脈沖常數Pl之間的關系可通過芯片內部的寄存器KMOT、APL來配置。
Kv、Ki分別是電壓通道校正系數和電流通道校正系數，由下式給出：
 
其中Cv、Ci分別是電壓通道和電流通道的寄存器的值，取值范圍是0-255，通常在初始設計時取為128，則Kv=0.875，Ki=0.875。

電流通道放大器增益Ai可通過芯片內部的寄存器PST、ADDG來配置。

根據芯片電壓輸入引腳的最大允許輸入電壓可建立下式：
(2)
其中Vn-電表額定電壓(V)，Sv-電壓通道分壓系數(V/V)，Vvmax-電壓通道最大允許輸入電壓(0.3V)。

根據芯片電流輸入引腳的最大允許輸入電壓可建立下式：

其中Imax-電表最大電流(V)，Si-電流通道分流系數(V/V)，Vimax-電流通道最大允許輸入電壓(V)。

Vimax可以通過Ai確定(表1)。

結合公式(1)、(2)和(3)，可推出SV和Si的關系和范圍。

設計實例：基于STPM14電能計量芯片的單相電能表電路參數設計

我們以STPM14為例，設計一款單相電能表。假設設計要求如下：

．脈沖常數1600 Pulses/KWH；
．額定電壓220V, 基本電流10A, 最大電流40A, 頻率50Hz；
．防竊電功能，兩路電流通道， 一路用CT，另外一路用SHUNT。

第一，根據設計要求確定電能表參數(表2)。

第二，確定電壓通道分壓系數Sv和電流通道分流系數Si的關系及取值范圍。

配置APL=1， KMOT=0，根據Ph與Pl關系，得到Ph=Pl×64=1600×64=102400。

主電流通道用CT, 次電流通道用SHUNT。主電流通道Ai=8；次電流通道Ai=32。又根據表1，主電流通道Vimax=0.15V；次電流通道Vimax=0.035V。

將上述數值代入(1)、(2)和(3)，得到：

主電流通道(電流互感器)：
 

次電流通道(分流器)：

其中 -主電流通道分流系數， -次電流通道分流系數。

通過計算，得到Sv、和的范圍如下：

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

第三，考慮到Sv容易通過更換電阻值來修改，而Si修改起來相對困難一些，所以先確定Si再確定Sv。對于雙電流通道，通常先確定分流器通道的值。

由式(13)，可知分流器的選擇范圍在221mW~619mW。我們選擇市場上常見的阻值為300mW的分流器，看是否滿足要求。

將=3×10-4代入式(7)，計算出Sv=7.092×10-4，滿足式(10)和(12)。再將Sv=7.092×10-4代入式(4)，計算出=1.200×10-3，滿足式(11)。驗證成功。
如果任意一步不滿足條件，需要重新選值確定。

接下來由的值確定電流互感器。因為Si=Kct×Rload=1.200×10-3，我們可以選擇1000:1的電流互感器，負載電阻為1.2W。

最后選擇合適的分壓電阻使分壓系數為Sv=7.092×10-4。選用3只220KW電阻和1只2KW電阻做分壓器，1只470W電阻為取樣電阻。實際分壓系數為：, 接近預定值。

STPM14的外圍電路參數設計已經完成，電路設計圖如圖1所示。