SSP1842：內(nèi)置時鐘單相多功能免校準(zhǔn)計量電路的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，電能計量芯片是設(shè)計各類電力相關(guān)設(shè)備時經(jīng)常會用到的關(guān)鍵部件。今天，我們就來深入了解一款具有高性價比的內(nèi)置時鐘免校準(zhǔn)電能計量芯片——SSP1842，它適用于單相多功能電能表、智能插座、智能家電等眾多應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

SSP1842集成了2路高精度Sigma - Delta ADC、參考電壓、電源管理等模擬電路模塊，以及處理有功功率、電流電壓有效值等電參數(shù)的數(shù)字信號處理電路。它能夠測量電流、電壓有效值、有功功率、有功電能量等參數(shù)，還可輸出快速電流有效值用于過流保護，以及波形輸出等功能，通過UART/SPI接口輸出數(shù)據(jù)，能充分滿足智能插座、智能家電、單相多功能電能表及用電信息大數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域的需要。而且，它具有專利防潛動設(shè)計，配合合理的外部硬件設(shè)計，可確保在無電流時噪聲功率不被計入電能脈沖。

二、產(chǎn)品特點

2.1 高精度測量

• 兩路獨立的Sigma - Delta ADC，分別用于電流和電壓測量。電流有效值范圍為(10mA ~ 35A)@1mohm，有功電能范圍為(1w ~ 7700w)@1mohm@220V。
• 批次出廠增益誤差小于1%，在外圍元件滿足一定條件下可以免校準(zhǔn)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的一致性。

2.2 豐富的輸出功能

可輸出電流、電壓有效值，快速電流有效值，有功功率，電流電壓波形相角等參數(shù)，還內(nèi)置波形寄存器，可輸出波形數(shù)據(jù)用于負(fù)載類型分析。

2.3 實用的保護與監(jiān)測功能

• 電流通道具備過流監(jiān)控功能，監(jiān)控閾值及響應(yīng)時間可設(shè)置，能有效保護設(shè)備安全。
• 提供電壓/電流過零信號輸出，方便進行同步控制。
• 電源掉電監(jiān)測，低于2.7V時，芯片進入復(fù)位狀態(tài)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4 靈活的通信方式

集成SPI(最快速率支持900KHz)/UART(4800bps - 38400)通信方式，可根據(jù)實際需求選擇合適的通信接口。

2.5 低功耗設(shè)計

芯片單工作電源3.3V，低功耗10mW(典型值)，采用SSOP10L/TSSOP14封裝，節(jié)省電路板空間。

三、系統(tǒng)框圖與引腳特征

3.1 系統(tǒng)框圖

SSP1842的內(nèi)部框圖展示了其各個模塊的連接關(guān)系，包括內(nèi)部電源LDO、時鐘、ADC、DSP等模塊，為我們理解芯片的工作原理提供了清晰的架構(gòu)。

3.2 引腳特征

TSSOP14L和SSOP10L兩種封裝的引腳各有其功能，如VDD為電源引腳，IP、IN為電流通道的模擬輸入引腳，VP為電壓信號輸入端等。不同引腳的功能和使用方法在文檔中有詳細(xì)說明，工程師在設(shè)計時需要根據(jù)實際需求進行合理連接。

四、電氣特性

4.1 電源與功耗

電源VDD范圍為3.0 - 3.6V，典型功耗為3mA，在正常工作條件下能保持較低的功耗水平。

4.2 測量精度

• 有功電能測量精度在不同電流輸入范圍內(nèi)有所不同，大信號(35A ~ 100mA)時為0.2%，小信號(100mA ~ 50mA)時為0.4%，微小信號(50mA ~ 10mA)時為0.6%。
• 有效值測量精度也類似，大信號時為0.2%，小信號時為2%，微小信號時為6%。

4.3 其他特性

快速有效值響應(yīng)時間在50Hz時可設(shè)置為周波/半周波，范圍為10 - 160mS；60Hz時為8.3 - 133mS。過零信號輸出延時為571uS，通道間相角引起的測量誤差在PF = 0.8（容性）和PF = 0.5（感性）時均為0.5%。

五、內(nèi)部寄存器說明

5.1 寄存器列表

SSP1842的內(nèi)部寄存器分為電參量寄存器（只讀）和用戶操作寄存器（讀寫）。電參量寄存器用于存儲電流波形、電壓波形、電流有效值、電壓有效值、有功功率、有功電能脈沖計數(shù)等參數(shù)；用戶操作寄存器用于進行電流有效值小信號校正、有功功率防潛、電流快速有效值閾值設(shè)置等操作。

5.2 特殊寄存器說明

• 用戶模式選擇寄存器（MODE）可設(shè)置有功能量和脈沖開關(guān)、有效值寄存器刷新時間、交流頻率選擇、CF計數(shù)寄存器讀后清零使能、CF脈沖能量累加模式選擇、UART通信波特率選擇等功能。
• 輸出配置寄存器（OT_FUNX）可配置CF1、CF2、ZX引腳的輸出功能，如輸出有功能量脈沖、過流報警、電壓過零指示、電流過零指示等。
• 狀態(tài)寄存器（STATUS）可指示脈沖CF能量反向、有功功率小于有功防潛動值、電流過零輸出狀態(tài)、電壓過零輸出狀態(tài)等信息。

六、工作原理說明

6.1 電流電壓瞬態(tài)波形計量

電流和電壓分別通過模擬模塊放大器（PGA）和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）得到兩路1bit PDM給數(shù)字模塊，數(shù)字模塊經(jīng)過降采樣濾波器（SINC3）、高通濾波器（HPF）及通道偏置校正等模塊，得到需要的電流波形數(shù)據(jù)和電壓波形數(shù)據(jù)，并分別存入波形寄存器。

6.2 有功功率計算

有功功率計算公式為 (WATT=frac{4046 I(A) V(V) * COS(varphi)}{V r e f^{2}})，其中 (I(A)) 、 (V(V)) 為通道管腳輸入信號的有效值(mV)，φ為I(A)、V(V)交流信號的相位夾角，Vref為內(nèi)置基準(zhǔn)電壓，典型值為1.218V。該寄存器能顯示當(dāng)前有功功率是正功還是負(fù)功。

6.3 有功功率的防潛動

SSP1842具有專利功率防潛功能，當(dāng)輸入有功功率信號絕對值小于有功防潛動閾值寄存器（WA_CREEP）的值時，輸出有功功率設(shè)為零，避免無負(fù)載情況下噪聲信號累積電量。

6.4 電能計量

有功瞬時功率通過一段時間的積分，可獲得有功能量，并可進一步輸出校驗脈沖CF，CF_CNT寄存器保存輸出電能脈沖CF的個數(shù)?？赏ㄟ^CF_EN控制能量脈沖輸出總開關(guān)，通過CF_CNT_CLR_SEL選擇CF計數(shù)寄存器讀后是否清零，通過CF_CNT_ADD_SEL選擇脈沖能量累加模式。

6.5 電流電壓有效值計算

兩個通道的有效值經(jīng)過平方電路、低通濾波器、開根電路得到有效值的瞬時值，再經(jīng)過平均得到平均值?？赏ㄟ^MODE寄存器設(shè)置有效值平均刷新時間。

6.6 過流檢測

SSP1842可快速采集電流有效值實現(xiàn)過流檢測功能。I_WAVE_F取絕對值后進行半周波或周波時間累加，存于I_FAST_RMS寄存器，與電流快速有效值閾值寄存器I_FAST_RMS_TH進行比較后通過引腳輸出過流中斷。

6.7 線電壓頻率檢測

SSP1842具有線電壓頻率檢測功能，每個若干設(shè)定的周期（FREQ_CYC）刷新一次，所檢測的是全波電壓波形。線電壓測量的分辨率為2us/LSB，線電壓寄存器（FREQ）與實際線電壓頻率有特定的折算關(guān)系。

6.8 過零檢測

SSP1842提供電壓和過零過零檢測，可由引腳CF1/CF2/ZX輸出過零信號，與實際輸入信號的時延為570us。當(dāng)電壓或電流有效值過低時，過零檢測輸出信號不穩(wěn)定。

七、通訊接口

7.1 SPI接口

• 工作模式：從模式，半雙工通訊，通訊率可配，最大通訊速率900Khz，固定時鐘極性/相位（ (CPOL = 0) ， (CPHA = 1) ），可三線或者四線通信。
• 幀結(jié)構(gòu)：寫操作幀和讀操作幀都包含識別字節(jié)、寄存器地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗和字節(jié)。
• 寫入操作時序：在SCLK的下沿開始移入寄存器數(shù)據(jù)。
• 讀出操作時序：在SCLK的上升沿，SSP1842將相應(yīng)的數(shù)據(jù)位移出到SDO邏輯輸出管腳。
• 容錯機制：通過SPI接口下發(fā)6個字節(jié)的0xFF，可單獨對SPI接口進行復(fù)位。

7.2 UART接口

• 概述：可采用UART通信方式，僅需兩個低速光耦就能實現(xiàn)隔離通信。工作在從模式，半雙工通訊，波特率可軟硬件配置為4800bps、9600bps、19200bps、38400bps。
• 波特率設(shè)置：使用模式寄存器UART_RATE_SEL和管腳SCLK_BPS進行波特率配置。
• 每個字節(jié)格式：以波特率 = 4800bps為例，起始位低電平持續(xù)時間 (t 1 = 208 us) ，有效數(shù)據(jù)位時間持續(xù) (t 2 = 208 * 8 = 1664 us) ，停止位高電平持續(xù)時間 (t 3 = 208 us) 。
• 寫入時序和讀取時序：主機先發(fā)送命令字節(jié)，然后發(fā)送寄存器地址字節(jié)，接著發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，最后發(fā)送校驗和字節(jié)。
• 數(shù)據(jù)包發(fā)送模式：通過命令“{0,1,0,1,1,0,A2,A1} + 0xAA”，SSP1842會返回一個全電參數(shù)數(shù)據(jù)包。
• 保護機制：提供超時保護機制，包括幀超時復(fù)位和手動復(fù)位，幀識別字節(jié)或者checksum字節(jié)錯誤時，該幀數(shù)據(jù)放棄。

八、封裝

SSP1842有SSOP10L和TSSOP14L兩種封裝，文檔中詳細(xì)給出了兩種封裝的尺寸參數(shù)，工程師在進行電路板設(shè)計時需要根據(jù)實際情況選擇合適的封裝。

SSP1842以其豐富的功能、高精度的測量和靈活的通信方式，為電子工程師在設(shè)計單相多功能電能表、智能插座、智能家電等設(shè)備時提供了一個優(yōu)秀的選擇。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理配置寄存器和引腳，充分發(fā)揮芯片的性能。大家在使用過程中有沒有遇到過類似芯片的一些特殊問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。