单相电能计量芯片MCP3906

2017-03-20作者：中华维修整理3016评论

概述：MCP3906采用24引脚SSOP封装。它通过一个脉冲输出直接驱动机械计数器，可以提供平均有功功率信息。它还会产生更高频率的输出，以提供用于校准的瞬时功率信息。为了符合IEC 电能表规范，器件还特别包含了空载门限和启动电流等功能模块。

为电能计量IC，支持国际电能计量标准技术规范IEC 62053。可提供与平均有功功率成比例的频率输出，以及与瞬时功率成比例的高频输出用于电表校准。这两款器件包含两个16 位Δ-Σ ADC，可用于各种IB 和IMAX 电流和小分流器（<200 μΩ）的电表设计。芯片包含一个超低温漂（< 15 ppm/°C）参考电压，通过特殊设计的带隙温度曲线，在整个工业级温度范围内使温度梯度最小。固定功能的片上DSP模块可用于计算有功功率。片上还有驱动机械计数器的高输出驱动器，以减少现场故障和机械计数器咬合。空载门限模块则可防止任何电流潜变（Creep）测量。上电复位（Power on Reset，POR）模块可在低电压时限制电表测量。这些具备很高现场可靠性的精密电能计量IC 采用业界标准的引脚配置。

一、MCP3906引脚功能

二、MCP3906内部方框图

三、MCP3906在单相电能表中的应用
利用MCP3906和AVRMega16设计的单相电能表系统框图如下图所示。图中，MCP3906芯片用于对输入的电压和电流进行计算。将经过高通滤波后的电压和电流信号相乘，得出瞬时功率信号，此瞬时功率经过低通滤波器即可产生瞬时有功功率信号。

　　此信号不含直流偏移分量，但可利用求平均法计算出所需的有功功率输出：然后通过器件的DTF转换器对瞬时有功功率信息进行累加，以产生输出脉冲，此脉冲的频率与平均有功功率成比例，每个脉冲对应于一个固定的有功电量值；再通过AVR单片机对该脉冲信号进行计数，即可得出有功功率的数值；最后通过LCD显示模块显示出来。系统的电能累计分为第一次上电后的连续累计和时段累计两种。时段累计需要对时间进行判断，即如果当前的时间处在某个时段内，则对该时段进行电能累计；否则，不进行电能累计。

2系统功能模块
　　
　　（1）RTC实时时钟模块时钟是电能分时计量的基础，实时时钟分硬时钟和软时钟两种，本设计选用硬时钟。当前应用较为广泛的时钟芯片有PCF8583、DS1302等。本设计选用DS1302实时时钟芯片来为系统提供时钟，可精确到年月日时分秒。该芯片内置可编程日历时钟和31字节的RAM，工作电压范围为2.5～5.5V，且功耗低。掉电后可由电池供电，其工作寿命达10年以上。

　　（2）LCD显示模块电能表的显示一般可采用段式LCD显示器，这种显示器具有功耗低、寿命长、显示方式灵活等优点。

　　（3）通信接口模块通讯处理模块是电能表系统与外界通讯的模块，这是依据国标规程编写的一个软件模块。该模块包括通讯接收处理、通讯命令处理及通讯发送处理等部分。由于通讯信道有红外信道和RS485信道两个信道，故在通讯时，要由MCU来判断道底使用哪个信道。

　　（4）数据存储模块该功能模块主要由支持I2C总线的可擦写EEP-ROM（AT25C256）和掉电保护电路组成，主要用于存储计算出来的电压、电流、有功等实时值以及每个时段的有功电能值，还有掉电时间记录、电压电流越上下限报警记录和历史记录等等。如果模块掉电，系统中的掉电保护电路会自动切换到后备电池给外部RAM供电，以保证RAM里所有的数据不丢失。

　　（5）电源为确保电能表稳定可靠的运行，电源是电能表设计的一个关键。本设计采用一路9V电源和一路5V电源来分别给AVRMega16和RS485通信单元供电。通信单元、计量单元和MCU之间的通信采用光耦进行隔离，可提升整个系统的抗干扰能力。众所周知，电能表的干扰源主要有电网的电压波动、闪电冲击和变压器产生的电磁感应等。本设计采用压敏电阻来吸收瞬问高压冲击。电源进线处则使用磁环来防止高频电磁脉冲对电路的干扰和破坏。

　　3软件设计
　　
　　整个电能表的软件程序由主程序、系统初始化、电量处理模块、数据存储、键盘中断、LCD显示模块、通信模块等组成。通过主程序或通过中断方式可以调用子程序，以实现系统的整体功能。

　　其中主程序可用于完成启动和系统初始化（包括FLASH、RAM、LCD的设置、SCI及RTC等的初始化），以及判定时段，在LCD上显示电量和时间等。主程序的流程图如下图所示。