STPM01/STPM1X電能計量芯片

隨著中國電子式電表市場的迅猛發(fā)展，電能計量芯片得到了廣泛應(yīng)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(xiàn)防竊電和數(shù)字式快速校表等特點。STPM01已成功應(yīng)用于單相/三相智能電表，被世界智能計量領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商ENEL及ISKRAEMECO所采用，交付使用超過1百萬片。產(chǎn)品的可靠性和技術(shù)指標在實際量產(chǎn)中得到驗證。

STPM01/STPM1X電能計量芯片的特點

STPM01是意法半導(dǎo)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(wǎng)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(jiān)測，可實現(xiàn)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(nèi)置電壓調(diào)節(jié)器可提供1.5V 和 3V 兩路電壓輸出；
．內(nèi)置56 BIT OTP 及其影子內(nèi)存(RAM)，可放置電表配置數(shù)據(jù)及電表校準數(shù)據(jù)參數(shù)；
．數(shù)字式快速校表；
．符合IEC62052-11和IEC62053-2X 規(guī)范。

STPM1X是意法半導(dǎo)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(chǎn)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(shù)設(shè)計

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

整個設(shè)計過程按如下三個步驟進行：

第一， 根據(jù)設(shè)計要求確定所設(shè)計的電能表的參數(shù)，如脈沖常數(shù)Pl(本文中也稱做低頻脈沖常數(shù))、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(shù)Sv和電流通道分流系數(shù)Si的關(guān)系及取值范圍。

第三， 在Sv和Si的取值范圍內(nèi)，先確定電流傳感器參數(shù)以得到Si，再推出Sv以確定電壓通道分壓電阻值?；蛘呦却_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(shù)。

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

根據(jù)STPM01/STPM1X芯片的內(nèi)部設(shè)計建立下式：

其中Sv-電壓通道分壓系數(shù)(V/V)，Si-電流通道分流系數(shù)(V/A)，Ph-高頻脈沖常數(shù)(Pulses/KWH)，Vbg-內(nèi)部參考電壓(1.23V)，DL-內(nèi)部常數(shù)(211)，F(xiàn)m-內(nèi)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(shù)，Ki-電流通道校正系數(shù)，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(shù)在芯片的設(shè)計中已經(jīng)固定，下面對一些需確定的參數(shù)做一些解釋。

電流通道分流系數(shù)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(shù)Ph和低頻脈沖常數(shù)Pl之間的關(guān)系可通過芯片內(nèi)部的寄存器KMOT、APL來配置。
Kv、Ki分別是電壓通道校正系數(shù)和電流通道校正系數(shù)，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(shè)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(nèi)部的寄存器PST、ADDG來配置。

根據(jù)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(shù)(V/V)，Vvmax-電壓通道最大允許輸入電壓(0.3V)。

根據(jù)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(shù)(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(jié)合公式(1)、(2)和(3)，可推出SV和Si的關(guān)系和范圍。

設(shè)計實例：基于STPM14電能計量芯片的單相電能表電路參數(shù)設(shè)計

我們以STPM14為例，設(shè)計一款單相電能表。假設(shè)設(shè)計要求如下：

．脈沖常數(shù)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(jù)設(shè)計要求確定電能表參數(shù)(表2)。

第二，確定電壓通道分壓系數(shù)Sv和電流通道分流系數(shù)Si的關(guān)系及取值范圍。

配置APL=1， KMOT=0，根據(jù)Ph與Pl關(guān)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(jù)表1，主電流通道Vimax=0.15V；次電流通道Vimax=0.035V。

將上述數(shù)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(shù)， -次電流通道分流系數(shù)。

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(shù)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(shù)為：, 接近預(yù)定值。

STPM14的外圍電路參數(shù)設(shè)計已經(jīng)完成，電路設(shè)計圖如圖1所示。