CS5463 原理與應用

1 引言
    CS5463 是帶有串列介面和Δ-∑模/數轉換器，能夠進行高速功率(電能)計算的高度集成電路。CS5463可以通過使用低成本的分壓電阻器或電壓互感器測量電壓，使用分流器或電流互感器測量電流，從而計算出有功功率，因此該電路特別適用於開發單相2線、3線用電錶。與上代的CS5460相比，CS5463還能提供視在功率、無功功率等多種參數計算，可滿足設計者的多方面需求。此外，CS5463片內還帶有溫度感測器，有助於設計者調整溫度漂移誤差，提高測量精度。

2 CS5463的主要特點
    CS5463 的特性如下:

1. 電能數據在1000:1動態範圍內的線性度為±0.1%;
2. 精確測量瞬時電壓、電流、功率以及電壓、電流有效值;
3. 計算視在、有功和無功功率，基波有功、諧波功率和功率因數;
4. 電能/脈衝轉換功能;
5. 低功耗(小於12mW);
6. 單電源地參考信號;
7. 內置電源監視器;
8. 從串列EEPROM“自引導”，可以不用微控制器;
9. 簡單的3線數字串列介面;
10. 優化的分流電阻器的輸入介面;
11. 帶有溫度感測器;
12. 具有機械計數器/步進電機的驅動器

3 內部結構和引腳功能
3.1 內部結構
    CS5463 的內部結構框圖如圖1所示，它由2個可編程增益放大器、2個Δ-∑調製器、配套的高速濾波器、功率計算引擎、偏置和增益校正、功率監測、串列介面及相應功能寄存器等組成。2個可編程放大器採集電壓和電流數據，Δ-∑調製器對模擬量採樣處理，高速數字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數字信號，功率計算引擎計算各類型的功率，電壓、電流，並將計算的功率值通過串列介面對外輸出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。該電路還有能量脈衝信號輸出模塊，可以直接外接計數器或步進電機，從而省去微控制器而直接外送用電量，降低電錶類產品的成本。
 
3.2 引腳功能
VA+/VA-:正負模擬電源，+5V/0V 或+2.5V/-2.5 V供電;
VD+/DGND:數字電源和數字地，+5V/0V 供電;
PFMON: 掉電監視器，監視模擬電源狀況。
VIN+/VIN-:電壓通道的差模模擬輸人，範圍是±250 mV;
IIN+/IIN-: 電流通道的差模模擬輸入，範圍是±50 mV(PGA設置為50x時);
VREFIN/VREFOUT:參考電壓輸入/輸出，為片上調製器提供參考電壓及其輸出，通常為2.5 V。
MODE :模式選擇，用於配置CS5463自引導模式;
/RESET-/INT :複位及中斷;
/CS :片選信號，為低電平時，埠可識別串列時鐘等信號。
SCLK :串列時鐘輸入，該時鐘信號確定SDI,SDO的輸入輸出速率，只在/CS低電平時有效;
SDI/SDO :串列數據輸入/輸出;
/E1、/E2、/E3 (EOUT):能量輸出，輸出低電平有效、頻率和能量成比例關係的脈衝，3個引腳分別對應有功功率、視在功率和無功功率。

4 CS5463 的工作原理
4.1輸入濾波
    電壓和電流通道的輸入模擬信號送入可編程PGA進行增益放大，放大後由Δ-∑調製器以一定的採樣速度採樣，採樣的結果再進行高速數字濾波，得到符合要求的數字信號。電壓輸入通道採用二階Δ-∑調製器，高速濾波器由一個固定的Sinc2濾波器實現;電流通道採用四階Δ-∑調製器，並用一個 Sinc4濾波器實現，與電壓通道的範圍相比，可以在輸入跨度更大的情況下實現電流通道的精確測量。2個通道的數據接著通過2個FIR補償濾波器來 補償通過低通濾波器后產生的幅值損耗。另外，2個通道都提供了一個可選的高通濾波器(HPF)，它可以在有效值、電能計算之前除去電壓和電流信號中的直流成分。
4.2 增益及DC偏移量調整
    濾波后的瞬態電壓和電流的數字量將進行偏移量和增益調整，這是基於DC偏移量寄存器(加法運算)和增益寄存器(乘法運算)的調整。調整后的24 位瞬態數據採樣值將存入瞬態電壓和電流寄存器，用戶可以通過串口從中讀出採樣數據。
4.3 能量計算
    以有功功率的計算為例，採樣得到瞬態電壓和電流的數字量，把每對瞬態電壓和電流的數據相乘，得到瞬時有功功率的採樣值。每個A/D採樣周期后，新的瞬態功率採樣值就存入功率寄存器，N個瞬時功率採樣值為一組，每組的值累加和用於計算以後放在能量寄存器中的數值，它與電路在N個A/D轉 換周期中的有功功率值成正比。同樣原理，電壓和電流有效值也利用最近的N個瞬態電壓、電流採樣值計算，並可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。
4.4 串列介面
    CS5463 的串列介面使用了包括2條控制線CS,SCLK和2條數據線SDI,SDO的外接方式。串列介面集成了帶有發送、接收緩衝器的狀態機，狀態機在SCLK的上升沿解析8位命令字，根據對命令的解碼執行相應的操作，或者為被定址的寄存器的數據傳輸做準備，內部寄存器都是24位。讀操作需將被定址的內部寄存器的數據傳送到發送緩衝區;寫操作在數據傳輸前要等24個SCLK周期。
    所有的命令字長度均為1個位元組。寫寄存器命令后必須緊跟1,2或3個位元組的寄存器數據;讀寄存器命令則發出3位元組的寄存器數據。圖2和圖3分別示出串口緩衝區的讀、寫時序。
 
圖2 CS5463的串列介面讀時序
 
圖3 CS5463的串列介面寫時序
    數據的讀和寫通過向串口SDI引腳寫入相應的8位命令字(高位在前)來啟動。當命令包含寫操作時，串口將在下面24個SCLK周期記錄SDI引腳的數據(從高位開始)。寄存器寫指令后必須跟24位的數據，一旦收到數據，狀態機便將數據寫入配置寄存器，然後等待下一個命令。啟動讀命令后，串口將在下8個、16個或24個SCLK周期啟動SDO引腳上的寄存器進行內容轉移(從高位開始)，寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上。讀寄存器時，微控制器可以同時發送新指令，並立即執行新指令，同時終止讀操作。

5 CS5463的典型應用
    圖4所示是以CS5463為核心的住宅用220V單相電源(圖中為2線式)系統的典型功率測量連接方式。首先在線路上串、並聯適當阻值的分壓和分流電阻器，對從電阻器上採樣的電壓信號進行濾波，圖中對稱的阻容濾波器更有助於減小電磁干擾，最後得到符合要求的電壓信號，送入電路進行實時計算。CS5463提供了數字校準，用戶通過設置校準命令字中的相應位來決定執行哪種校準。對於電壓和電流通道，都有AC校準和DC校準。
 
    該電路中用於監測電流的分流電阻器串聯在電源的火線端，因為在大多數住宅電能測量應用中，電度表分流器接在火線上有助於發現竊電行為。從這種類型的分流電阻器得到的共模輸人電壓應以火線電壓為參考，這意味著CS5463的輸入共模電壓相對於地電位會在很高的正電壓和負電壓之間振蕩。因此，在設計CS5463的數字輸出介面與外部數字介面(如其他通信網路)時應謹慎。CS5463的數字串列介面引腳必須與外部數字介面隔離，使測量端的參考地電位與外部介面地參考地電位不相互影響，另外，CS5463及其電路必須密封絕緣以防觸電。