SSP1840：內(nèi)置時(shí)鐘單相多功能免校準(zhǔn)計(jì)量電路的深度解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電能計(jì)量芯片的性能至關(guān)重要。SSP1840 作為一款內(nèi)置時(shí)鐘免校準(zhǔn)電能計(jì)量芯片，以其高性價(jià)比和豐富的功能，在單相多功能電能表、智能插座、智能家電、電動自行車充電樁等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。下面，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、芯片概述

SSP1840 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漏電監(jiān)控或過流保護(hù)，具備溫度檢測、波形輸出等功能，并通過 UART/SPI 接口輸出數(shù)據(jù)，充分滿足了多個(gè)領(lǐng)域的用電信息采集需求。此外，它還具有專利防潛動設(shè)計(jì)，可確保在無電流時(shí)噪聲功率不被計(jì)入電能脈沖。

二、芯片特點(diǎn)

1. 高精度 ADC

擁有兩路獨(dú)立的 Sigma - Delta ADC，分別用于電流和電壓測量，為精確計(jì)量提供基礎(chǔ)。

2. 寬測量范圍

電流有效值范圍為 10mA - 35A（@1mohm），有功電能范圍為 1w - 7700w（@1mohm@220V），能適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

3. 豐富輸出參數(shù)

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多種參數(shù)，方便用戶全面了解用電情況。

4. 免校準(zhǔn)特性

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)，降低了生產(chǎn)和調(diào)試成本。

5. 安全監(jiān)控功能

電流通道具備漏電/過流監(jiān)控功能，監(jiān)控閾值及響應(yīng)時(shí)間可設(shè)置，保障設(shè)備安全運(yùn)行。

6. 其他特性

還具備電壓過零信號輸出、內(nèi)置波形寄存器、集成溫度傳感器、多種通信方式、電源掉電監(jiān)測、內(nèi)置參考電壓源和振蕩電路等特點(diǎn)，且采用 TSSOP14 封裝，功耗低至 10mW（典型值）。

三、系統(tǒng)與引腳

1. 系統(tǒng)框圖

芯片主要分為模擬信號處理和數(shù)字信號處理兩塊。模擬部分包括兩通道 PGA、兩通道 Sigma - Delta ADC、內(nèi)置時(shí)鐘、上下電監(jiān)測、溫度檢測、LDO 等；數(shù)字部分為數(shù)字信號處理模塊（DSP）。

2. 引腳特征

芯片采用 TSSOP14 封裝，各引腳功能明確，如 VDD 為電源（+3.3V），VT 用于外部溫度傳感器信號輸入，IP1、IN1 為電流通道模擬輸入，VP、VN 為電壓信號輸入端等。不同引腳組合實(shí)現(xiàn)了芯片的各項(xiàng)功能。

四、電氣特性

1. 電源與功耗

電源 VDD 范圍為 3.0 - 3.6V，典型功耗為 3mA（VDD = 3.3V）。

2. 測量精度

在不同電流輸入范圍內(nèi)，有功電能測量精度和有效值測量精度有所不同。大信號（35A - 100mA）輸入時(shí)，有功電能測量精度可達(dá) 0.2%，有效值測量精度也為 0.2%；小信號（100mA - 50mA）和微小信號（50mA - 10mA）輸入時(shí)，精度會相應(yīng)降低。

3. 其他特性

快速有效值響應(yīng)時(shí)間在 50Hz 時(shí)可設(shè)置為周波/半周波，分別為 10 - 40mS；60Hz 時(shí)為 8.3 - 33mS。過零信號輸出延時(shí)為 571uS，通道間相角引起的測量誤差在容性（PF = 0.8）和感性（PF = 0.5）情況下均為 0.5%，AC 和 DC 電源抑制（輸出頻率幅度變化）均為 0.1%。

五、內(nèi)部寄存器

1. 寄存器列表

包括電參量寄存器（只讀）和用戶操作寄存器（讀寫）。電參量寄存器可存儲電流快速有效值、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(jì)數(shù)、電流電壓波形相角、內(nèi)部溫度檢測、外部溫度檢測等信息；用戶操作寄存器用于控制電流快速有效值、電流直流偏置校正、電流有效值小信號校正、功率小信號校正、有功功率防潛、用戶模式選擇、軟復(fù)位、用戶寫保護(hù)、溫度模式控制、外部溫度傳感器增益系數(shù)校正和偏移系數(shù)校正等功能。

2. 特殊寄存器說明

• 用戶模式選擇寄存器（0x18 MODE）：可設(shè)置電流和電壓波形的濾波模式（高通、低通、全波）、快速有效值選擇、有效值寄存器刷新時(shí)間、交流電頻率、有功電能脈沖計(jì)數(shù)寄存器是否讀后清零等功能。
• 溫度模式控制寄存器（0x1B TPS_CTRL）：可控制測溫開關(guān)、報(bào)警開關(guān)、測溫選擇、測溫時(shí)間間隔和外部測溫報(bào)警閾值。

六、工作原理

1. 電流電壓瞬態(tài)波形計(jì)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）、可選高通濾波器（HPF）或低通濾波器（LPF）及通道偏置校正等模塊，得到電流和電壓波形數(shù)據(jù)。用戶可通過用戶模式寄存器 MODE[5:0]設(shè)置測量模式（交流、直流、全波）。采集到的波形數(shù)據(jù)以 7.8ksps 的速率更新，每個(gè)采樣數(shù)據(jù)為 20bit 有符號數(shù)，存入波形寄存器。

2. 通道偏置校正

通過 8 位的校正寄存器（IA_CHOS）消除電流通道和電壓通道模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的偏差，使無負(fù)載情況下波形 offset 為 0。校正公式為 (CHOS=frac{ WAVE - WAVEO }{2^{4}})，對應(yīng)的 RMS 值校正公式為 (RMS = RMS0+frac{3125 * CHOS}{4})。

3. 有功功率計(jì)算

有功功率計(jì)算公式為 (A_WATT =frac{4046 I(A) V(V) * COS(varphi)}{Vref^{2}})，其中 (I(A))、(V(V)) 為通道管腳輸入信號的有效值（mV），(varphi) 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 1.218V）。該寄存器能顯示當(dāng)前有功功率是正功還是負(fù)功。

4. 有功功率偏置校準(zhǔn)

通過 8 位的有功功率校正寄存器（A_WATTOS）消除電能計(jì)量時(shí)的有功功率偏差，使無負(fù)載情況下有功功率寄存器中的值接近 0。校準(zhǔn)公式為 (WATTOS =frac{ WATT - WATTO }{8 × 3.05172})。

5. 有功功率的防潛動

SSP1840 具有專利功率防潛功能，通過有功防潛動閾值寄存器（WA_CREEP）設(shè)置閾值，當(dāng)輸入有功功率信號絕對值小于該值時(shí)，輸出有功功率設(shè)為零，避免無負(fù)載時(shí)小噪聲信號累積電量。對應(yīng)關(guān)系為 (WA_CREEP =frac{ WATT }{3.0517578125 * 8})。

6. 電能計(jì)量

SSP1840 提供電能脈沖計(jì)量，有功瞬時(shí)功率通過積分獲得有功能量，并輸出校驗(yàn)脈沖 CF。CFACNT 寄存器保存輸出電能脈沖 CF 的個(gè)數(shù)，設(shè)置 MODE[10]可選擇有功電能脈沖計(jì)數(shù)寄存器是否讀后清零。每個(gè) CF 脈沖的累積時(shí)間 (t{CF}=frac{1638.4 * 256}{WATT})。

7. 電流電壓有效值

通過平方電路、低通濾波器、開根電路得到有效值的瞬時(shí)值，再經(jīng)過平均得到平均值?？赏ㄟ^ MODE[8]設(shè)置有效值平均刷新時(shí)間為 400ms 或 800ms。電流和電壓有效值轉(zhuǎn)換公式分別為 (IA_RMS =frac{324004 I(A)}{Vref}) 和 (V_RMS =frac{79931 V(V)}{Vref})。

8. 電流電壓有效值偏置校準(zhǔn)

通過 8 位有效值偏置寄存器（IA_RMSOS）消除有效值計(jì)算中的偏差，校準(zhǔn)公式為 (RMSOS =frac{RMS^{2}-RMSO^{2}}{9.3132 × 2^{25}})。

9. 漏電/過流檢測

利用快速有效值寄存器檢測半周波或周波有效值，用于漏電或過流檢測?？赏ㄟ^ IA_FAST_RMS_CTRL 寄存器選擇刷新時(shí)間和設(shè)定閾值，當(dāng)快速有效值大于等于閾值時(shí)，漏電/過流報(bào)警輸出指示管腳（CF）輸出高電平。

10. 相角計(jì)算

通過電流和電壓的正向過零時(shí)間差計(jì)算相角，結(jié)果存于 A_CORNER 寄存器，相角換算公式為 (2 pi ACORNER * frac{1}{f{0}})（單位是弧度，(f_{0}) 是交流信號源的測量頻率，默認(rèn) 50Hz）。

11. 過零檢測

由引腳 ZX 直接輸出電壓過零信號，與實(shí)際輸入信號的時(shí)延約 570us。

12. 溫度計(jì)量

提供內(nèi)部測溫和片外測溫功能。外部測溫時(shí)可設(shè)置報(bào)警功能，當(dāng) TPS2 大于等于報(bào)警閾值時(shí)，CF 管腳輸出高電平。內(nèi)部測溫公式為 (Tx=(170 / 448)(TB / 2 - 32)-45)（TB 是 TPS1 寄存器值），外部測試溫度采用 SAR ADC。

七、通訊接口

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(shí)鐘極性/相位（(CPOL = 0)，(CPHA = 1)）。
• 幀結(jié)構(gòu)：寫操作幀為 0xA8 ADDR[7:0] DATA_H[7:0] DATA_M[7:0] DATA_L[7:0] CHECKSUM[7:0]；讀操作幀分為讀命令幀 0x58 ADDR[7:0] 和讀數(shù)據(jù)幀 DATA_H[7:0] DATA_M[7:0] DATA_L[7:0] CHECKSUM[7:0]。
• 操作時(shí)序：寫入操作在 SCLK 下沿移入寄存器數(shù)據(jù)；讀出操作在 SCLK 上升沿移出數(shù)據(jù)，下降沿外部設(shè)備采樣。
• 容錯機(jī)制：通過下發(fā) 6 個(gè)字節(jié)的 0xFF 可單獨(dú)對 SPI 接口進(jìn)行復(fù)位。

  2. UART 接口

• 概述：采用 UART 通信方式，僅需兩個(gè)低速光耦實(shí)現(xiàn)隔離通信，固定波特率 4800bps，N，8，1.5，工作在從模式，半雙工通信。
• 寫入和讀取時(shí)序：寫入時(shí)主機(jī)先發(fā)送命令字節(jié)（0xA8），再依次發(fā)送地址、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和字節(jié)；讀取時(shí)主機(jī)先發(fā)送命令字節(jié)（0x58）和地址字節(jié)，SSP1840 再依次發(fā)送數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和字節(jié)。
• 數(shù)據(jù)包發(fā)送模式：通過命令“(0x58) + 0xAA”可返回一個(gè) 35 字節(jié)的全電參數(shù)數(shù)據(jù)包。
• 保護(hù)機(jī)制：提供超時(shí)保護(hù)機(jī)制，字節(jié)間隔時(shí)間超過 18.5mS 自動復(fù)位；幀識別字節(jié)或校驗(yàn)和字節(jié)錯誤則放棄該幀數(shù)據(jù)；RX 管腳低電平超過 6.65mS 后拉高，UART 模塊復(fù)位。

八、封裝

SSP1840 采用 TSSOP14 封裝，具體尺寸有詳細(xì)規(guī)定，為芯片的安裝和使用提供了標(biāo)準(zhǔn)。

SSP1840 芯片以其豐富的功能、高精度的測量和良好的穩(wěn)定性，為電子工程師在電能計(jì)量相關(guān)設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求，合理利用芯片的各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的電能計(jì)量和監(jiān)控。你在使用 SSP1840 芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。