目前大部分的家用電器及辦公設(shè)備并沒有實現(xiàn)真正的節(jié)能，待機狀態(tài)下的功耗問題日益嚴(yán)重，由此帶來的浪費極大。而且，隨著電器的增多，負(fù)載功率不斷增大，導(dǎo)致許多插座在過流、過壓等情況下，不能實現(xiàn)自動保護(hù)，甚至引起火災(zāi)。因此，能夠通過檢測負(fù)載功率的大小來保護(hù)電器并輕松測量和判斷電器能耗參數(shù)、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的智能插座，其市場需求越來越大，尤其是目前已經(jīng)率先受到海外市場的青睞。
本文介紹的智能節(jié)能插座完整設(shè)計方案基于單相多功能計量芯片CSE7780，該芯片是國內(nèi)首款完全符合國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)且動態(tài)范圍達(dá)2000:1的產(chǎn)品，能夠測量電壓有效值、電流有效值、平均有功功率等各種電氣參數(shù)。該芯片采用芯?？萍汲墒斓? 路Σ-△技術(shù)，可分別用于相線電流采樣、零線電流采樣以及電壓采樣?；贑SE7780設(shè)計的智能插座能夠通過檢測負(fù)載功率的大小來實現(xiàn)對用電器使用功耗的監(jiān)測。
智能插座系統(tǒng)設(shè)計
本設(shè)計由計量模塊、顯示模塊和控制模塊三部分組成(見圖1)，本文將對關(guān)鍵的計量模塊設(shè)計進(jìn)行重點講述。
圖1：基于CSE7780智能插座系統(tǒng)框圖。
1、計量功能設(shè)計
本系統(tǒng)采用的是CSE7780，該芯片能夠提供有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等功能，提供全數(shù)字增益、相位、偏置電流校準(zhǔn)，有功能量脈沖從PF管腳輸出。此外，CSE7780提供一個SPI串行接口，可以與外部MCU進(jìn)行通信，而且內(nèi)部具有電源監(jiān)控電路，可以保障芯片的正常作。
如圖2所示，本系統(tǒng)計量包括電流、電壓采樣兩部分。
(1) 電流信號采樣
電流采樣電路中，電流流經(jīng)錳銅分流器時會在計量芯片的電流采樣通道上產(chǎn)生一個壓降，不同的電流信號在分流器上形成的壓降不同，計量芯片通過采集在分流器上形成的電壓信號，從而實現(xiàn)了對電流信號的采集。
(2) 電壓信采樣
電壓采樣通常是采集的是零線上的信號，由于電壓信號較大，本系統(tǒng)設(shè)計直接通過電阻網(wǎng)絡(luò)降壓的方式實現(xiàn)對電壓信號的采樣。
圖2：基于CSE7780智能插座的計量電路。
2、顯示模塊設(shè)計
本系統(tǒng)設(shè)計方案的顯示部分采用的液晶驅(qū)動控制芯片為HT1621，該液晶驅(qū)動能夠4*32的液晶段碼，完全能夠滿足顯示驅(qū)動的要求，可顯示電量、電壓有效值、電流有效值、有功功率等信息。
3、電源模塊
從產(chǎn)品的空間因素方面考慮，本系統(tǒng)設(shè)計的電源采用了非隔離電源，該電源電路能夠提供大約60mA的電流。
1、電參數(shù)的計算
以設(shè)計一塊額定電壓220V(Un)、10 (60) A電流規(guī)格、常數(shù)1600imp/KWh插座為例，由于電流輸入通道允許輸入最大信號為±700mV的峰峰值(有效值為495mVrms)，10(60)A的表考慮到通道A發(fā)熱的情況，可選擇200~250μΩ的錳銅，若以250μΩ的錳銅來采樣，在Imax=60A時，通道A的采樣信號為60A*250μΩ=15mV。由于電流通道A的允許最大輸入信號為495mV，因此電流通道的增益選擇可配置成16，通道B采用2500:1的互感器；負(fù)載電阻10Ω，電流通道B增益設(shè)置為1。電壓通道允許最大輸入信號為±700mV的峰峰值，考慮到電壓會有130%Un過壓，可將電壓采樣信號通過網(wǎng)絡(luò)電阻將220V交流電壓信號降至220mV左右，電壓通道增益選擇為1。
通過上述的論述，我們需將電流通道A的增益設(shè)置為16，電壓通道的增益設(shè)置為1，因此SYSCON寄存器應(yīng)設(shè)置為0080H。
CSE7780寄存器的配置流程如圖3所示。
圖3：CSE7780寄存器的參數(shù)配置流程圖。
2、HFConst寄存器的設(shè)置
常數(shù)EC為1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=10A*0.00025Ω*16=40mV；EC=1600；Un=220V；
Ib=10A。根據(jù)公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*10^11/(EC*Un*Ib)]可得HFConst=2664H，因此寫入HFConst寄存器的值應(yīng)為2664H。
3、其他計量控制寄存器配置
啟動電流的配置。在Un、Ib的情況下，有功功率寄存器PowerA的數(shù)值為1A375D7H，按照要求在0.4%Ib的情況下能夠正常啟動，則Pstar寄存器可配置為0.2%Ib有功功率對應(yīng)的數(shù)值Pstar=00D6H(Pstart對應(yīng)的是PowerA的高24位，計算出的Pstart是16’h00D6)。
能量累加模式的配置。由于需要計量正反有功能量，因此我們須將能量累加模式配置成正反向功率都參與累加，累加方式是代數(shù)和方式，負(fù)功率有REVQ符號指示，使能PF脈沖輸出及有功電能寄存器累加，即可將EMUCON配置為0001H。
4、校表寄存器的配置
(1) 有功校正
a、功率增益校正
在輸入信號為Un、Ib的情況下，從校表臺獲得通道A的誤差為err，則公式1。如果Pgain>=0，則GPQA=INT[Pgain*2^15]，反之若Pgain<0,則GPQA=INT[2^16 +Pgain*2^15]。
通道B的功率校準(zhǔn)可通過配置GPQB來實現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。
b、相位校正
在PF=0.5L，輸入信號為100%Un、100% Ib的情況下，從校表臺上獲得的誤差為err，則相位誤差補償為公式2，對50Hz的電網(wǎng)而言，PHSA有0.02^0/LSB的關(guān)系，則：如果θ>=0，PHSA =INT(θ/0.02^0)；如果θ<0，PHSA =INT(2^8+θ/0.02)-96。
通道B的相位校正可通過配置PHSB來實現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。
c、有功偏置電流校正
在小信號1.0的情況下，如果小信號偏差較大，可通過調(diào)整有功功率偏置電流校正寄存器來修正小信號的偏差。在PF=1.0，Vu=Un，Vi=0的情況下，等待DPUDIF的更新，通過MCU取PowerA的值，讀取若干次去平均值，取平均值的補碼的后4位寫入APOSA校正寄存器。
通道B的有功偏置電流校正可通過配置APOSB來實現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。
(2) 電壓、電流計算
有效值的校正流程是先校正電流的偏置電流，校正偏置電流后，再進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換系數(shù)KIA及電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)KU的計算，在PF=1.0、100%Un、Ib的情況下讀取IARMS寄存器的數(shù)值，根據(jù)公式KIA=IARMS/Ib可得到電流通道A的轉(zhuǎn)換系數(shù)，按同樣的方法可得電壓通道的轉(zhuǎn)換系數(shù)KU。
圖4：基于CSE7780的智能節(jié)能插座系統(tǒng)主程序流程圖。
本文小結(jié)
基于CSE7780的智能節(jié)能插座目前已經(jīng)獲得多家企業(yè)的成功批量應(yīng)用。該節(jié)能插座經(jīng)過測試，其系統(tǒng)顯示出良好的控制效果，能夠靈敏地檢測到負(fù)載是否過載及待機的狀態(tài)，有效保護(hù)電器的安全，受到此類產(chǎn)品制造商的青睞，并開始批量銷往海外。