三相电能计量芯片 TM9936

三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 一、概述 TM9936 是静止式三相电子电度专用集成电路，电路采用 CMOS 工 艺制造。电路设计先进，内部集成有电流缓冲放大器，乘法器， A/D 转 换器等电路。本品性能优良，质量安全可靠。封装采用 DIP40 和 QFP44 封装。 二、特性说明 „ 精确测量单相，二相和三相的功率和电能 „ 可测量正负两个方向的有功功率，且有方向指示 „ 跳变小，线性度高，动态工作范围宽 „ 采用电流互感器作为电流取样 „ 具有防潜动功能，低功耗 „ FOUT1 和 FOUT2 可直接驱动步进电机 „ 校验脉冲输出，可用 MCU 处理 „ 适用于三相三线或三相四线电度表 „ 管脚加有 ESD 保护 „ 可完全兼容替代 SA9105/SM9935 三、结构 TM9936是将来自电阻网络的交流电压采样信号和来自互感器交流电 流采样信号进行取样，通过斩波平衡式电流缓冲器、空分乘法器的处理 和电流型二阶delta-sigma模数转换器，对采样的信号进行有效功率测 量，然后通过分频等处理，输出相关的频率脉冲。 四、内部功能框图 Administrator 打字机文本 深圳市天微电子有限公司 地址：深圳市南山区高新技术产业园北区紫光信息港A栋10层 原厂销售总部：手机18682063283 QQ：709072958 E-mail: 709072958@qq.com 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 五、管脚定义 TM9936-DIP40 管脚号 符号 说明 35 VREF 外接参考电压 28 VDD 正电源 16 VSS 负电源（GND） REF2 FOUT1 FOUT2 CF DIR OSC1 OSC2 模拟 处理 模块 时序控制模块 基准 模块 电能 处理 模块 输出 驱动 模块 IVP1 IVP2 IVP3 IIP1 IIN1 IIP2 IIN2 IIP3 IIN3 REF1 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 34 IVP1 33 IVP2 32 IVP3 电压采样信号输入端：第 1相 电压采样信号输入端：第 2相 电压采样信号输入端：第 3相 6 IIN1 7 IIP1 电流采样信号输入端：第 1相 8 IIN2 9 IIP2 电流采样信号输入端：第 2相 10 IIN3 11 IIP3 电流采样信号输入端：第 3相 19 OSC1 20 OSC2 外接晶体或陶瓷振荡器 OSC1 输入，OSC2 输出 21 FOUT1 23 FOUT2 脉冲输出端 25 DIR 电能方向输出指示 38 CON1 39 COP1 37 CON2 36 COP2 30 CON3 31 COP3 13 CONP 12 COPP 外接 AD 转换器的外部回路电容 1 CIN1 40 CIP1 3 CIN2 2 CIP2 5 CIN3 4 CIP3 15 CINP 14 CIPP 外接 AD 转换器的内部回路电容 29 VREF1 基准电流输出脚 27 VREF2 内置 1.2V 基准电压输出脚 17 S1 18 S2 26 S4 24 S3 分频比设置端 22 CF 高频脉冲输出端 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com TM9936-QFP44 管脚号 符号 说明 11 VREF 外接参考电压 3 VDD 正电源 34 VSS 负电源（GND） 10 IVP1 9 IVP2 8 IVP3 电压采样信号输入端：第 1相 电压采样信号输入端：第 2相 电压采样信号输入端：第 3相 23 IIN1 24 IIP1 电流采样信号输入端：第 1相 25 IIN2 26 IIP2 电流采样信号输入端：第 2相 27 IIN3 28 IIP3 电流采样信号输入端：第 3相 37 OSC1 38 OSC2 外接晶体或陶瓷振荡器 OSC1 输入，OSC2 输出 40 FOUT1 42 FOUT2 脉冲输出端 44 DIR 电能方向输出指示 14 CON1 15 COP1 13 CON2 12 COP2 6 CON3 7 COP3 31 CONP 外接 AD 转换器的外部回路电容 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 30 COPP 18 CIN1 16 CIP1 20 CIN2 19 CIP2 22 CIN3 21 CIP3 33 CINP 32 CIPP 外接 AD 转换器的内部回路电容 4 VREF1 基准电流设置脚 2 VREF2 内置 1.2V 基准电压输出脚 35 S1 36 S2 43 S4 1 S3 分频比设置端 41 CF 高频脉冲输出端 5 N.C. 17 N.C. 29 N.C. 39 N.C. 空脚 六、分频设置表 分频比 DIV S1 S2 S3 S4 CF 脉宽 1 0 0 0 0 无 2 0 0 0 1 15ms 3 0 0 1 0 15ms 4 0 0 1 1 30ms 5 0 1 0 0 30ms 6 0 1 0 1 30ms 7 0 1 1 0 60ms 9 0 1 1 1 60ms 11 1 0 0 0 90ms 13 1 0 0 1 90ms 18 1 0 1 0 90ms 21 1 0 1 1 90ms 27 1 1 0 0 90ms 36 1 1 0 1 90ms 54 1 1 1 0 90ms 60 1 1 1 1 90ms 注： 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 1、S1，S2，S3，S4 为 0000 时，FOUT1，FOUT2 输出最大，该模式与 SA9105 兼容（既 SA9105 中所有 TP 脚浮空）； 2、当 S1，S2，S3，S4 时 0001-1110 时，CF 输出频率是 S1，S2，S3，S4 为 0000 时， FOUT1，FOUT2 输出最大频率（即 64Hz）与分频比之比，而 FOUT1 和 FOUT2 输出 为 CF 的 8 分频。例如：当 S1，S2，S3，S4 为 1010 时，分频比 DIV 为 18，则 CF 的频率为 64HZ/18=3.556Hz，则 FOUT1，FOUT2 的频率为 3.556/8=0.4445Hz； 七、管脚功能描述： TM9936是一个采用CMOS电路制作的数字模拟混合集成电路。工作动态范围宽， 在三相的电能测试中可达到500:1，并且精度完全满足国家一级表的要求；这块集成 电路包括三相电能测量中的所有基本功能，如：电压和电流信号的采样，放大电路， 采用过采样技术的AD转换电路，有效功率乘法电路和电能计算电路等；TM9936输出 产生的脉冲频率数正比与电能的消耗数。有两个脉冲频率输出脚，脉冲的产生表示 了顺太的功率消耗，也表示了瞬态的电能方向。 1.模拟量输入构造 下面为电流和电压的输入结构示意图。 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 采样输入端有嵌位二极管的保护电路，与输入的放大器结构制作在一起。通过在每 个输入端的负反馈，电压采样放大器和电流采样放大器产生了一个虚拟的信号输入 端，输入阻抗接近为零。在放大器的输出端，产生了一个与输入电流完全一样的镜 像电流。 2.ESD保护 TM9936的输入输出端都加有ESD保护。 3.功效消耗 TM9936在5V的工作电源情况下，消耗的功率小于50mw。 4.脉冲输出信号 计量的电能由FOUT的输出脉冲表示，最大的输出频率为64Hz。在FOUT1和FOUT2的输 出端频率相同。 八、电气特性 极限参数 项目 符号 最小值 最大值 单位 电源电压 Vdd-Vss -0.3 6.0 V 管脚通过的电流 Ipin -150 +150 mA 储存温度 Tstg -40 +125 ℃ 工作温度 T。 -40 +85 ℃ 电气参数(测试条件:除非有指出,测试温度范围从-10℃到+70℃) 项目 符号 最小 典型 最 单 测试条件 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 大 位 工作温度 TO -25 +85 ℃ 电源工作电压 VDD-VSS 4.5 5 5.5 V 电源工作电流 IDD 10 mA 电流输入端(差分输入方式) 电流输入范围 Iii -25 +25 uA 峰值电流 电压输入端(单端输入方式) 电流输入范围 Iiv -25 +25 uA 峰值电流 Fout1,Fout2,DI R 输出低电平 输出高电平 VOL VOH VDD-1 VSS+1 V V IOL=5mA Ioh=-2mA Fout1,Fout2 输出频率 Fp 0 0 64 180 Hz Hz 额定的线性范围 区内从最大到最 小的极值状态 振荡电路，使用电视机的彩色副载波晶体，f=3.579545MHz VREF2 脚 电压 Vref 1.1 1.25 1.4 V 对 Vss 的电压范 围 VREF1 脚 电流 Iref 40 50 60 uA 加 22K 对 VSS 电 阻， Iref=Vref/22K CF 脚输出频率的计算公式： DIV II IIIIII M Fosc f RR VIVIVI CF ×× ×+×+××× = 358.3 24.714 332211 Fosc: 晶振振荡器的频率（2MHz……4MHz） Ii1,Ii2,Ii3: 电流采样端输入电流（最大电流小于 16uA） Iv1,Iv2,Iv3: 电压采样端输入电流（最大电流小于 14uA） IR： 基准电流（典型值 50uA） DIV: 分频系数,见分频设置表 注： 为了保持电表的稳定性，防止在长期的使用过程中电位器的漂移，在实际的生 产中，这些电阻采用的是多个电阻的串联组成的，可以通过对部分电阻的短路来调 整电表的零点，只需要保证电压输入端的最大值维持在 14uA 以下，电流输入端的最 大值在 16uA. 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 九、典型应用图例 TM9936 电子式三相交流有功电能表元器件明细表 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 应用注意 1、 电阻分压网络的分压系数要求稳定，最好用 1%精度，温度系数小于 100 的电阻。AD 转换使用高精度的高频 电容，精度控制在 10%以内。电源部分的电解电容建议使用高稳定长寿命的电容（如红宝石），晶振是彩色 电视机上的彩色副载波晶体谐振器（F=3.5795MHZ）。电流采样采用三相电流互感器的方式，互感器用 0.1 级产品。RF1，RF2，RF3 取值与互感器负荷电阻相同。电源变压器功率要求 1W 以上，220V/10V。 2、 布线时高压走线要尽量短，远离小信号走线，采样信号输入端走线要相互靠近，平行走线，尽可能使三相 走线所处条件相似，抵消干扰。 3、 调试时注意：分频比一般用 1000-1110 之间（90ms），管脚 VREF2 对地电压要准确保持为 1.2V。电压输入端 最大电流不能超过 14uA，电流输入端电流不能超过 16uA，否则精度差变。电流互感器通过电流设置电阻 （R23….R28）输入到 TM9936 的电流输入端，这些电阻的阻值通过下面的公式计算： 相位 1：R23=R24≥(IL1/16uA)*RF1/2 相位 2: R25=R26≥(IL2/16uA)*RF2/2 相位 3: R27=R28≥(IL3/16uA)*RF3/2 其中 ILX=互感器在额定最大电流条件下的次级电流。 一次电流 二次电流 二次负荷 精度等级 备注 1.5(6)A 5mA 20Ω 0.1 5(20)A 5mA 20Ω 0.1 10(40)A 10mA 10Ω 0.1 15(60)A 15mA 10Ω 0.1 20(80)A 20mA 5Ω 0.1 4、在 SM9935 中需在 VREF 端外加外部基准，在 TM9936 的应用中可以将该外部基准 省去，直接使用芯片内部基准，节约系统成本。 5、S1/S2/S3/S4 分频设置 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com S1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 S2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 S3 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 S4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 CF 无 15ms 15ms 30ms 30ms 30ms 60ms 60ms 90ms 90ms 90ms 90ms 90ms 90ms 90ms 90ms 分 频 比 1 2 3 4 5 6 7 9 11 13 18 21 27 36 54 60 三相电能计量专用电路 TM9936 www.titanmec.com 十、封装 QFP44