ADE9078用于無電壓檢測的低功耗模式

在中國，有全失壓檢測要求。此要求將全失壓狀況定義為：當(dāng)輸入電壓都低于門檻值且電流大于額定電流的5%。

發(fā)生全失壓電壓事件時(shí)，電表記錄相電壓、相電流、功率因數(shù)和有功功率。電表設(shè)計(jì)為雙電源。主電源基于外部電力線電壓輸入，備用電源基于外部電池。發(fā)生全失壓事件時(shí)，AC/DC電源停止工作，電池供電的微控制器將ADE9078模擬前端(AFE)設(shè)置為檢測電流。

圖1.電表電源電路框圖

本應(yīng)用筆記主要介紹如何配置ADE9078來檢測全失壓事件。

ADE9078功耗模式簡介

本部分說明ADE9078的功耗模式。ADE9078有四種功耗模式可供切換。用戶可以選擇不同功耗模式以節(jié)省電能。

表1顯示了不同功耗模式的技術(shù)規(guī)格。

表1.各種功耗模式下的功耗

省電模式0 (PSM0)是全功能模式，消耗12 mA電流。用戶可以設(shè)置PSM0模式以讀/寫ADE9078中的所有寄存器。PSM0適合于由電力線路供電模式。正常情況下，ADE9078工作在PSM0模式，意味著至少有一相電壓為電表供電。

PSM1、PSM2和PSM3支持低功耗竊電檢測，這是中國所要求的。利用這些工作模式，用戶可以檢測有無竊電。在涉及竊電的情形中，通常使用電池來為ADE9078供電。

竊電測量模式PSM1允許用戶快速測量關(guān)健參數(shù)，如電流有效值(IRMS)、電壓有效值(VRMS)、功率和無功伏安(VAR)，其功耗低于PSM0。它采用的計(jì)算方法不同于PSM0。這些測量在20 ms時(shí)間完成計(jì)算。在IRMS測量中，600:1的動(dòng)態(tài)范圍下PSM1模式檢測耗時(shí)40.5 ms，實(shí)現(xiàn)的精度小于0.2%。對(duì)于功率，600:1的動(dòng)態(tài)范圍下PSM1模式耗時(shí)40.5 ms，實(shí)現(xiàn)的精度小于0.2%。

在PSM2工作模式下，ADE9078進(jìn)入低功耗狀態(tài)，僅內(nèi)部低功耗比較器有效。低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和晶體振蕩器全都關(guān)斷。輸入電流IA、IB和IC與PSM2_CFG寄存器中設(shè)置的用戶選定電平進(jìn)行比較，如有任一電流超過閾值，就會(huì)產(chǎn)生中斷并觸發(fā)

引腳。用于檢測峰值電流的耗時(shí)由用戶確定，在PSM2_CFG寄存器的LPLINE[4:0]位中設(shè)置。測量周期時(shí)間為(LPLINE[4:0] + 4)/50秒。當(dāng)某個(gè)電流通道上信號(hào)大于峰值超過LPLINE[4:0] + 1次，則ADE9078指示已檢測到竊電狀況。LPLINE[4:0]的最大允許值為0x0A。

PSM3為空閑模式，即ADE9078內(nèi)部的所有功能都關(guān)斷，消耗的電流小于1 μA。

PM0和PM1引腳(PMx)控制PSMx模式，x指PSM0至PSM3。

表2顯示了PMx狀態(tài)和相關(guān)的PSMx模式。

表2.PMx狀態(tài)和相關(guān)PMx模式

使用MCU的輸入/輸出引腳連接PM0和PM1引腳以選擇功耗模式。

硬件解決方案

如圖2所示，電表中有兩個(gè)電源：AC/DC轉(zhuǎn)換器和電池。它們由兩個(gè)二極管切換。MCU檢測AC/DC電源的電壓輸出。如果沒有電壓輸出，則所有相位(A、B和C)停電。這種情況下，MCU啟動(dòng)全失壓檢測功能。當(dāng)其中一相上電時(shí)，AC/DC電源輸出電壓，對(duì)電表供電。否則，AC/DC關(guān)斷，輸入/輸出引腳觸發(fā)一個(gè)低電壓以通知MCU已發(fā)生全失壓狀況，并且電池正在供電。這種情況下，MCU和ADE9078進(jìn)入低功耗模式。

圖2.電源切換電路框圖

圖3顯示MCU和ADE9078之間的全失壓檢測功能接線要求。如果發(fā)生全失壓事件，MCU將通過PM0和PM1引腳把ADE9078置于低功耗模式。

圖3.適用于全失壓檢測功能的MCU和ADE9078之間硬件接線

軟件程序

圖4給出了全失壓檢測的步驟。

圖4.無電壓檢測的軟件程序

PSM2_CFG是PSM2模式的配置寄存器，在ADE9078初始化期間設(shè)置。例如，若額定電流為10 A，電流互感器變比為2500:1，負(fù)載電阻為12.5 ?，則在額定電流的5%時(shí)，峰值的動(dòng)態(tài)比率為：

PKDET_LVL位(寄存器0x4B8的位[8:5])用于配置低功耗比較器峰值電流檢測電平。

表3顯示了設(shè)置的意義。

表3.PSM2電流峰值檢測閾值

PSM2_CFG[8:5]設(shè)置為3時(shí)，意味著閾值電平為400:1。

將LPLINE[4:0]設(shè)置為1，故而PSM2模式的測量周期為(1 + 4)/50 = 100 ms。

初始化ADE9078時(shí)，將PSM2_CFG寄存器(寄存器0x4B8)設(shè)置為0x31。

功耗計(jì)算

當(dāng)檢測到竊電時(shí)，ADE9078消耗最大電流。MCU將ADE9078設(shè)置為PSM1模式以讀取有效值和功率值，用于事件記錄。每個(gè)環(huán)節(jié)ADE9078的功耗如下：

?PSM3模式：60 s × 2 μA = 120 μA

?PSM2模式：100 ms × 200 μA = 20 μA

?PSM1模式：40.5 ms × 9 mA = 364.5 μA

總功耗為：120 + 20 + 364.5 = 504.5 μA。如果竊電持續(xù)7天，功耗將為：

當(dāng)未檢測到竊電時(shí)，ADE9078消耗最小電流。ADE9078不進(jìn)入PSM1模式，因?yàn)闊o需記錄有效值。每個(gè)環(huán)節(jié)ADE9078的功耗如下：

?PSM3模式：60 s × 2 μA = 120 μA

?PSM2模式：100 ms × 200 μA = 20 μA

總功耗為120 + 20 = 140 μA。如果這種情況持續(xù)7天，功耗將為：

目前主流外接電池容量為1.2 Ah;因此，即使發(fā)生竊電事件，也很容易滿足ADE9078的功耗要求。

測試結(jié)果

在PSM2和PSM3兩種模式下，AVDDOUT和DVDDOUT關(guān)斷。從PSM2或PSM3模式進(jìn)入PSM1模式時(shí)，AVDDOUT和DVDDOUT上電，如圖5所示為ADE9078參考電表上實(shí)際測量結(jié)果。

圖5.進(jìn)入PSM1模式的上電序列

當(dāng)PM1引腳設(shè)置為低電平，PM0引腳設(shè)置為高電平，且這兩個(gè)引腳均達(dá)到穩(wěn)定電壓之后，AVDDOUT和DVDDOUT開始從0 V上升，ADE9078進(jìn)入PSM1模式。

1. 另一項(xiàng)測試測量了PSM2模式下竊電檢測消耗的時(shí)間。LPLINE[4:0]設(shè)置為1。理想情況下，如果發(fā)生竊電事件，就會(huì)在進(jìn)入PSM2模式之后的100 ms觸發(fā) 引腳。圖6顯示了ADE9078參考電表的測試結(jié)果。

從進(jìn)入PSM2模式到觸發(fā) 引腳花費(fèi)了97.4 ms。檢測到竊電時(shí)， 設(shè)置為低電平。

總結(jié)

ADE9078是一款全新設(shè)計(jì)的計(jì)量AFE，具有高動(dòng)態(tài)范圍和高精度。它提供四種功耗模式，最低功耗為1 μA。ADE9078全失壓狀態(tài)下最多僅消耗1.412 mAh能量，遠(yuǎn)低于電池容量1.2 Ah。ADE9078可用于檢測全失壓狀況，哪怕這種狀況持續(xù)7天。