浅谈基于71M6543、6545及71M6XX3隔离传感技术的三相锰铜表新方案.docx

浅谈基于71M6543/6545及71M6X03隔离传感技术的三相锰铜表新方案71M654X自推出以来，受到了业界的普遍关注，大家都对这种新的三相锰铜表方案表达出了浓厚的兴趣。本文将对此方案的特点做简要介绍，以供各位参考。71M6543/6545 + 71M6X03隔离传感技术及其特征采用71M6543/6545 + 71M6X03隔离传感技术的三相锰铜表总体方案如图1所示。图1图中，A、B、C三相电流通过锰铜采样得到的信号送到71M60X3远端传感器（Remote sensor），转换成数字信号后通过脉冲变压器（Pulse Transformer, PT）送到654X主芯片相应的电流信号输入引脚对IBP/IBN、ICP/ICN、IDP/IDN（注意IAP/IAN在此应用中作为零线电流采样使用）。电压信号则分别通过电阻分压网络接入654X芯片的VA、VB、VC引脚。由于此方案采用脉冲变压器隔离了电流信号，因此对主芯片654X而言，三相电流是完全相互隔离的，从而可以实现三相锰铜的计量方式。本方案的核心是71M6X03远端传感器，图2给出了三相电流采样任一路的连接示意图。由图可见，71M6X03本质上是一个电流AFE（非常规的包含了电压电流的计量AFE），它以差分方式接收电流流经锰铜得到的信号，经内部PGA放大后A/D转换，得到的数字量通过接口电路透过脉冲变压器回传给654X主控制器。另一方面，从71M654X下传的命令也是透过脉冲变压器及接口电路发送给71M6X03。所以说，71M654X主控制器和71M6X03远端传感器之间的通信是双向的，如图2中脉冲变压器上方的双向信号线所示。另外的那条单向线，表示电源由71M654X主控制器透过脉冲变压器传送给71M6X03。71M6X03作为电流AFE，其内部还集成了基准电压源及温度数字传感器，因此可方便地实现对基准电压温漂及锰铜电阻温度系数的温度补偿。图3给出了单路71M6X03的详细接线图。图2 图3通过以上简要分析，我们可以看出此方案有如下几个特点：1. 锰铜 + 71M6X03 + 脉冲变压器（PT）三个部件作为一个整体，在逻辑上等效于常规的CT。既然等效于CT，则在校表过程中，可以采用与CT表完全相同的校表方式，换句话说，就是无需对台体进行特殊改造。在这一点上，很多人都存在一个认识上的误区，认为三相表台校准三相锰铜表时会引起精度依次降低的问题。实际上，这种观点是基于以往使用三个单相计量芯片做三相锰铜表的方案（如利用三个6521BE，或三个5460、3个FE423等等）。使用单相计量芯片做三相锰铜表的方案，对每一相而言，其电压、电流必定有一个非隔离的公共点，也就是说，电压和电流之间是非隔离的，因此无法实现三相校表时电压和电流的脱钩，无法实现大规模生产，而必须对表台进行电流隔离改造。图4给出了使用单相计量芯片设计三相锰铜表时，多块表接入同一电流、电压回路，不脱钩的等效原理图。由于后面表只的电压回路电流在前面表的电流回路上形成了一个电压降，造成每只表的电压不等电位，同时由于电压回路的电流也使每个表位的电流回路不等电流，从而无法实现多表位单回路检定。本方案由于电流通道和电压通道是完全隔离的，在逻辑上等效于常规的CT，没有因为电压、电流的公共参考点导致的电流旁路效应，因此可以直接利用现有的CT表脱钩校准方式，既维持了原来的生产习惯，又节省了设备改造增加的开支。图42. 隔离传感器（Remote sensor）71M6XX3的供电由PT通过主芯片654X提供，无需另外为其配置电源，大大简化了三相锰铜表的电源设计。另外，此特性可以有效处理全失压情况下的计量。相比基于三个单相计量芯片的三相锰铜表方案，必须为每路AFE单独设计隔离电源，而且如果考虑到断相情况，其供电设计会极其复杂，而且根本无法实现全失压情况下的计量。3. 654X和6X03之间的通信是基于A/D采样同步的，完全实时，无缝集成，完全没有基于三个单相计量芯片的三相锰铜表方案固有的系统响应延迟。电压、电流、功率、脉冲等等都是即时的，而老方案是主控单片机通过串口把各个通道的数据读过来再处理，最明显的就是对电能脉冲的延迟响应。4. 相对于传统的抗直流饱和CT，具有优异的计量性能。抗直流饱和CT除了体积大、价格贵，还有一个固有的问题：其比差和角差会随着电流大小不同及工作温度改变而有明显变化，而且是非线性的。非线性的问题比较麻烦，为了达到要求的精度，只能采取多点校准的方法，这无疑大大增加了软件的工作量及生产时的成本。而锰铜电阻天然的高精度与极低的温度系数、低成本、小体积，使得业界孜孜以求三相锰铜方案的最合理实现方式，本文介绍的654X + 6X03方案即是不二之选。图5给出了采用本方案的三相锰铜表典型结构示意图。图571M654X系列的其它特点71M6543/6545不仅可以实现三相锰铜计量，也可以当作普通的计量芯片来使用，比如普通的3 CT方案。这归功于其内部的计量引擎是完全可重配置的，通过更换不同功能版本的CE CODE，同一颗芯片就可以实现不同的功能，如三相四线/三相三线、CT/锰铜、零线电流测量，更可以支持各种无功算法及总谐波THD、分次谐波计量等等。另外，作为业界领先的电能计量SoC芯片，71M654X系列集成了丰富、功能灵活的外设，最大限度地降低了表只的物料成本和生产成本。值得特别关注的是其内置的RTC具有完全的温度修调功能，配合其高精度的内部数字温度传感器，更可省去外部RTC，进一步大幅度降低表只的物料成本。TERIDIAN半导体公司简介TERIDIAN的前身是TDK半导体公司，从上世纪90年代的6501/6502三相定制AFE（与GE、ABB合作），到今天的654X通用SoC系列，