电能计量IC配合闪存单片机实现灵活创新的电表设计

　　数字计算模块（例如有功功率、视在功率和RMS电流与电压）的功能都是固定的，以固定频率运行，具有固定的输出精度。虽然这些器件可以良好地执行它们的固定功能，但这种方案对于设计师来说不够灵活。

图1a 典型的基于ROM的电表设计

图1b 消除电能计量IC和闪存MCU之间的界线

　　以前，IC制造商只提供基于ROM的电能计量IC作为执行这些功能的开源解决方案；现在，他们以△-∑可配置闪存设计的形式提供解决方案。本文介绍了一个完整的电表设计示例，使用大约7 KB的程序字来实现完整的三相电表IC。该设计由中断驱动，仅使用50%的中断处理时间（系统的电源频率为60 Hz，每个周期进行128次采样）。在130μs的时间窗中，大约65μs的时间用于全部三相的计算，包括失调电压、增益和相电压的校准，以及LSB的调整。高精度电表设计的功率输出寄存器最高需要48位，所以在低成本的8位单片机（MCU）上执行这种数学计算并非轻而易举。这种闪存方案具有很大的灵活性，相比基于ROM的电表IC具有很多优点，本文将对此进行介绍。

　　基于ROM的电表设计需要依靠外部存储器进行电表校准，并智能加载状态机，这是一种成本较高的两阶段方案。信号流的第三个阶段必须将校准常量装入固定功能的电能计量IC中。通过将基于ROM的AFE中的计算功能与基于闪存的中央MCU相结合，可以省去其中的一个阶段。电表校准算法和常量可以全部包含在一个阶段中，这有助于减少IC数量和降低系统成本。

　　电表精度要求可靠的模拟性能

　　在做出关于计算和电表校准的设计决定之前，设计师必须确定模拟设计是可靠的。系统的模拟和ADC性能最终会限制电表的整体精度。在设计趋势的推动下，分流电流和信号越来越小，所以ADC噪声较低、分辨率较高的电能计量IC会更符合市场的需求。要开发符合IEC标准的电表（包括0.5和0.1级电表），低噪声、串扰可忽略、具有优良线性度的16位双通道ADC会是一个坚实的起点。

　　Microchip Technology的MCP3909电能计量IC是一款△-∑器件，特别针对符合以上条件的电能计量应用而设计，它包含有灵活的数字模块和通信通路。该IC的两个板载16位模数转换器的信噪失真比（SINAD）为82 dB，支持远超出IEC要求的动态范围测量。该IC的板载PGA（增益可达32 V/V）支持如下面所示的信号大小和测量误差精度。此外，器件还允许设计师控制ADC和乘法器输出，以及滤波器输入。