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。