原创 三相双向功率/电度表芯片SA9105FFA 的原理

SA9105FFA 是SAMES 公司推出的一种新型三相双向功率/电度表芯片，它内
部集成了三相功率/电能测量所需的电压和电流检测、A/D 转换器和功率计算等功
能。SA9105FFA 在外围连接少量的元件，即可构成一个功率/电能仪表或一个控制系
统中的部件。文中给出了SA9105FFA 的原理、特性、功能及应用电路。
关键词：SA9105FFA 三相功率 电能仪表 计量
SA9105F 三相电能仪表集成芯片非常适用于工业/民用或电能控制系统的设计。它输出的
脉冲串可用来指示能量的传送方向，由于其脉冲频率正比于能量消耗的大小，因此一段时间内
所累积测量的功率结果就确定了能量消耗。因而可用于有功功率的测量方面，同时，SA9105F
还考虑到了功率因素。
1 封装及管脚描述
SA9105F 集成电路有两种封装形式，其中SA9105FPA 为DIP-40 封装，SA9105FFA 为
PLCC-44 封装，图1 是DIP-40 封装的管脚分布图，表1 所列为其引脚功能说明。
表1 SA9105F 的管脚功能描述
管脚序号 标号 功能描述 管脚序号 标号 功能描述
35 GND 地 36 COP2
28 VDD 正电源电压 30 CON3
16 VSS 负电源电压 31 COP3
6 IIN1 13 CONP
7 IIP1
电流检测输入：A 相
12 COPP
连接A/D 转换电容的外部循环电容
34 IVP1 1 CIN1
33 IVP2 40 CIP1
32 IVP3
电压模拟量输入：A 相
电压模拟量输入：B 相
电压模拟量输入：C 相 3 CIN2
8 IIN2 2 CIP2
9 IIP2
电流检测输入：B 相
5 CIN3
10 IIN3 4 CIP3
11 IIP3
电流检测输入：C 相
15 CINP
25 DIR 方向指示输出 14 CIPP
连接A/D 转换电路的内部循环电容
19 OSC1 29 VREF 连接到电流调节电阻
20 OSC2
连接到晶体或陶瓷振荡器
（OSC1：输入；OSC2：输
出） 27 TP27 测试管脚，与VSS 相连
21 FOUT1 17 TP17
23 FOUT2
脉冲输出
18 TP18
38 CON1 22 TP22
39 COP1
连接A/D 转换电路的外部循环
电容 24 TP24
厂家测试管脚
37 CON2 26 TP26
2 主要特征
SA9105F 的主要特征如下：
●可进行双向一、二、三相功率/电能测量；
●符合IEC521/1036 的1 组交流电能表技术要求；
●工作温度范围宽；
●用电流互感器作电流检测元件；
●具有良好的长期稳定性；
●调试方便；
●内置电压基准；
●具有两路输出脉冲格式可选；
●具有防静电保护功能。
3 功能描述
SA9105F 是数字/模拟混合型集成电路，可进行三相电能的计算，在1000：1 的范围内，
其精度优于1 级。
SA9105A 芯片内集成了三相电能测量所需的全部功能，如电压、电流检测端的A/D 转换
器、功率的计算和能量的积分等。其内部的偏移误差可通过程序加以修正。
SA9105F 产生的脉冲频率正比于测量所得的功率，它有两种频率输出格式（FOUT1、
FOUT2）可供选择。并能以脉冲频率形式输出有功功率的瞬时值，其功率的方向则以脉宽的变
化来反应。
3.1 功率的计算
图2 是SA9105F 的应用电路图。从电路中可以看出，来自A、B、C 三相的电压信号被转
换成电流并加到电压检测端口IVP1、IVP2 和IVP3。
电路中的主电压（3×230VAC）被分压电路分压至14V，通过电阻R15、R16 和R17 加到
电压检测端口，以使得输入到电压检测端口的A/D 转换器的输入电流为14μA。
在额定条件下，电流互感器的匹配电阻上的电压降通过电阻R8、R9（A 相），R10、R11
（B 相），R12、R13（C 相）转换成16μA 的电流传送给电流检测端口IIN1、IIP1；IIN2、
IIP2；IIN3、IIP3。
在这种结构条件下，当主电压为3×230V、额定电流为80A 时，SA9105F 集成电路的
FOUT1 和FOUT2 的输出频率是64Hz。此时1 个脉冲相当于3×18.4kHz=862.5Ws 的功率消
耗。
3.2 模拟输入
把SA9105F 的电流或电压检测端（IIP、IIN 或IVP）通过保护二极管与VDD 或VSS 相
加，可有效地防止在模拟运放输入端出
现的过压现象。
3.3 静电保护和功耗
集成电路SA9105F 的输入/输出端口
匀有静电放电保护。在5V 供电时，
SA9105F 的总功耗小于50mW。
3.4 脉冲信号输出
在上述额定条件下，累计的功率消
耗被转换成64Hz 的脉冲串，从FOUT1
和FOUT2 输出。脉冲输出信号提供电能
和方向的信息，FOUT1 和FOUT2 是两种
脉冲输出形式，它们的区别在于：电能
流动的方向在FOUT1 上表现为占空比的
倒置，而在FOUT2 上表现为脉冲宽度的变化。
计算输出频率(f)的公式为：
f=11.16×FOUTX{(FOSC/3.58MHz)[(II1IV1)+(II2IV2)+(II3IV3)]/3I 2 R}
式中，FOUTX 是额定条件下的频率值（64Hz）；FOSC 为振荡器频率
（2MHz......4MHz）；II1、II2、II3 为电流检测端的输入电流（在额定条件下为16μA）；
IV1、IV2、IV3 为电压检测端的输入电流（在额定条件下为14μA）；IR：参考电流（典型值
为50μA）。
4 应用设计
在图2 所示的应用中，已标出了所需元件，电流信号的检测使用电流互感器。以下是
SA9105F 应用电路中的一些元件的典型值和主要作用：其中，C7、C9、C10 和C11 是外部循
环电容，用于A/D 转换器。C7 的典型值为2.2nF，C9、C10 和C11 的典型值取560pF。在实际
应用中，电容的取值决定信号的稳定性，所有电容的误差均应在±10%以内；C4、C5、C6 和
C8 是内循环电容，用于A/D 转换器，容量一般在0.5nF～5nF 之间，典型值可取3.3nF。
电流互感器的输出通过限流电阻（R8～R13）接到SA9105F 的电流信号检测端。电阻阻
值的选择应考虑额定条件下输入到SA9105F 电流检测端的电流（均方根值为16μA），其值计
算如下：
A 相：
R8=R9=(IL1/16μARMS)×R18/2
B 相：
R10=R11=（IL2/16μARMS）×R19/2
C 相：
R12=R13=（IL3/16μARMS）×R20/2
这里：ILX 是额定条件下电流互感器的二次电流；R18、R19、R20 为电流互感器输出端
的负载电阻；R1、R1A 和R15 可用来确定A 相电压检测端的电流；R2、R2A、R5、P5 和R16
用于确定B 相电压检测端的电流；R3、R3A、R6、P6 和R17 用来确定C 相电压检测端的电
流。它们的阻值选择应使电压检测输入端的输入电流在额定条件下为14μARMS。电容C1、
C2 和C3 主要用来耦合和相位补偿。
R14 和P14 用来为芯片提供偏置和基准电流。其推荐值为：R14+P14=24kΩ，R14 的改变
会引起输出频率的改变（注：ΔR=+5%,Δf=+10%）。
XTAL 是彩电振荡电路的晶体振荡器，该振荡器的频率在片内被分频至1.7897MHz，并提
供给数字电路和A/D 转换器。