SSP1840：内置时钟单相多功能免校准计量电路的深度解析

在电子设备的设计中，电能计量芯片的性能至关重要。SSP1840 作为一款内置时钟免校准电能计量芯片，以其高性价比和丰富的功能，在单相多功能电能表、智能插座、智能家电、电动自行车充电桩等领域得到了广泛应用。下面，我们就来深入了解一下这款芯片。

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一、芯片概述

SSP1840 集成了 2 路高精度 Sigma - Delta ADC、参考电压、电源管理等模拟电路模块，以及处理有功功率、电流电压有效值等电参数的数字信号处理电路。它能够测量电流、电压有效值、有功功率、有功电能量等参数，还可输出快速电流有效值用于漏电监控或过流保护，具备温度检测、波形输出等功能，并通过 UART/SPI 接口输出数据，充分满足了多个领域的用电信息采集需求。此外，它还具有专利防潜动设计，可确保在无电流时噪声功率不被计入电能脉冲。

二、芯片特点

1. 高精度 ADC

拥有两路独立的 Sigma - Delta ADC，分别用于电流和电压测量，为精确计量提供基础。

2. 宽测量范围

电流有效值范围为 10mA - 35A（@1mohm），有功电能范围为 1w - 7700w（@1mohm@220V），能适应不同的应用场景。

3. 丰富输出参数

可输出电流、电压有效值，快速电流有效值，有功功率，电流电压波形相角等多种参数，方便用户全面了解用电情况。

4. 免校准特性

批次出厂增益误差小于 1%，在外围元件满足一定条件下可以免校准，降低了生产和调试成本。

5. 安全监控功能

电流通道具备漏电/过流监控功能，监控阈值及响应时间可设置，保障设备安全运行。

6. 其他特性

还具备电压过零信号输出、内置波形寄存器、集成温度传感器、多种通信方式、电源掉电监测、内置参考电压源和振荡电路等特点，且采用 TSSOP14 封装，功耗低至 10mW（典型值）。

三、系统与引脚

1. 系统框图

芯片主要分为模拟信号处理和数字信号处理两块。模拟部分包括两通道 PGA、两通道 Sigma - Delta ADC、内置时钟、上下电监测、温度检测、LDO 等；数字部分为数字信号处理模块（DSP）。

2. 引脚特征

芯片采用 TSSOP14 封装，各引脚功能明确，如 VDD 为电源（+3.3V），VT 用于外部温度传感器信号输入，IP1、IN1 为电流通道模拟输入，VP、VN 为电压信号输入端等。不同引脚组合实现了芯片的各项功能。

四、电气特性

1. 电源与功耗

电源 VDD 范围为 3.0 - 3.6V，典型功耗为 3mA（VDD = 3.3V）。

2. 测量精度

在不同电流输入范围内，有功电能测量精度和有效值测量精度有所不同。大信号（35A - 100mA）输入时，有功电能测量精度可达 0.2%，有效值测量精度也为 0.2%；小信号（100mA - 50mA）和微小信号（50mA - 10mA）输入时，精度会相应降低。

3. 其他特性

快速有效值响应时间在 50Hz 时可设置为周波/半周波，分别为 10 - 40mS；60Hz 时为 8.3 - 33mS。过零信号输出延时为 571uS，通道间相角引起的测量误差在容性（PF = 0.8）和感性（PF = 0.5）情况下均为 0.5%，AC 和 DC 电源抑制（输出频率幅度变化）均为 0.1%。

五、内部寄存器

1. 寄存器列表

包括电参量寄存器（只读）和用户操作寄存器（读写）。电参量寄存器可存储电流快速有效值、电流波形、电压波形、电流有效值、电压有效值、有功功率、有功电能脉冲计数、电流电压波形相角、内部温度检测、外部温度检测等信息；用户操作寄存器用于控制电流快速有效值、电流直流偏置校正、电流有效值小信号校正、功率小信号校正、有功功率防潜、用户模式选择、软复位、用户写保护、温度模式控制、外部温度传感器增益系数校正和偏移系数校正等功能。

2. 特殊寄存器说明

• 用户模式选择寄存器（0x18 MODE）：可设置电流和电压波形的滤波模式（高通、低通、全波）、快速有效值选择、有效值寄存器刷新时间、交流电频率、有功电能脉冲计数寄存器是否读后清零等功能。
• 温度模式控制寄存器（0x1B TPS_CTRL）：可控制测温开关、报警开关、测温选择、测温时间间隔和外部测温报警阈值。

六、工作原理

1. 电流电压瞬态波形计量

电流和电压分别通过模拟模块放大器（PGA）和高精度的模数转换（ADC）得到两路 1bit PDM 给数字模块，数字模块经过降采样滤波器（SINC3）、可选高通滤波器（HPF）或低通滤波器（LPF）及通道偏置校正等模块，得到电流和电压波形数据。用户可通过用户模式寄存器 MODE[5:0]设置测量模式（交流、直流、全波）。采集到的波形数据以 7.8ksps 的速率更新，每个采样数据为 20bit 有符号数，存入波形寄存器。

2. 通道偏置校正

通过 8 位的校正寄存器（IA_CHOS）消除电流通道和电压通道模数转换带来的偏差，使无负载情况下波形 offset 为 0。校正公式为 (CHOS=frac{ WAVE - WAVEO }{2^{4}})，对应的 RMS 值校正公式为 (RMS = RMS0+frac{3125 * CHOS}{4})。

3. 有功功率计算

有功功率计算公式为 (A_WATT =frac{4046 I(A) V(V) * COS(varphi)}{Vref^{2}})，其中 (I(A))、(V(V)) 为通道管脚输入信号的有效值（mV），(varphi) 为 I(A)、V(V) 交流信号的相位夹角，Vref 为内置基准电压（典型值 1.218V）。该寄存器能显示当前有功功率是正功还是负功。

4. 有功功率偏置校准

通过 8 位的有功功率校正寄存器（A_WATTOS）消除电能计量时的有功功率偏差，使无负载情况下有功功率寄存器中的值接近 0。校准公式为 (WATTOS =frac{ WATT - WATTO }{8 × 3.05172})。

5. 有功功率的防潜动

SSP1840 具有专利功率防潜功能，通过有功防潜动阈值寄存器（WA_CREEP）设置阈值，当输入有功功率信号绝对值小于该值时，输出有功功率设为零，避免无负载时小噪声信号累积电量。对应关系为 (WA_CREEP =frac{ WATT }{3.0517578125 * 8})。

6. 电能计量

SSP1840 提供电能脉冲计量，有功瞬时功率通过积分获得有功能量，并输出校验脉冲 CF。CFACNT 寄存器保存输出电能脉冲 CF 的个数，设置 MODE[10]可选择有功电能脉冲计数寄存器是否读后清零。每个 CF 脉冲的累积时间 (t{CF}=frac{1638.4 * 256}{WATT})。

7. 电流电压有效值

通过平方电路、低通滤波器、开根电路得到有效值的瞬时值，再经过平均得到平均值。可通过 MODE[8]设置有效值平均刷新时间为 400ms 或 800ms。电流和电压有效值转换公式分别为 (IA_RMS =frac{324004 I(A)}{Vref}) 和 (V_RMS =frac{79931 V(V)}{Vref})。

8. 电流电压有效值偏置校准

通过 8 位有效值偏置寄存器（IA_RMSOS）消除有效值计算中的偏差，校准公式为 (RMSOS =frac{RMS^{2}-RMSO^{2}}{9.3132 × 2^{25}})。

9. 漏电/过流检测

利用快速有效值寄存器检测半周波或周波有效值，用于漏电或过流检测。可通过 IA_FAST_RMS_CTRL 寄存器选择刷新时间和设定阈值，当快速有效值大于等于阈值时，漏电/过流报警输出指示管脚（CF）输出高电平。

10. 相角计算

通过电流和电压的正向过零时间差计算相角，结果存于 A_CORNER 寄存器，相角换算公式为 (2 pi ACORNER * frac{1}{f{0}})（单位是弧度，(f_{0}) 是交流信号源的测量频率，默认 50Hz）。

11. 过零检测

由引脚 ZX 直接输出电压过零信号，与实际输入信号的时延约 570us。

12. 温度计量

提供内部测温和片外测温功能。外部测温时可设置报警功能，当 TPS2 大于等于报警阈值时，CF 管脚输出高电平。内部测温公式为 (Tx=(170 / 448)(TB / 2 - 32)-45)（TB 是 TPS1 寄存器值），外部测试温度采用 SAR ADC。

七、通讯接口

1. SPI 接口

• 工作模式：从模式，半双工通讯，通讯率可配，最大通讯速率 900khz，固定时钟极性/相位（(CPOL = 0)，(CPHA = 1)）。
• 帧结构：写操作帧为 0xA8 ADDR[7:0] DATA_H[7:0] DATA_M[7:0] DATA_L[7:0] CHECKSUM[7:0]；读操作帧分为读命令帧 0x58 ADDR[7:0] 和读数据帧 DATA_H[7:0] DATA_M[7:0] DATA_L[7:0] CHECKSUM[7:0]。
• 操作时序：写入操作在 SCLK 下沿移入寄存器数据；读出操作在 SCLK 上升沿移出数据，下降沿外部设备采样。
• 容错机制：通过下发 6 个字节的 0xFF 可单独对 SPI 接口进行复位。

  2. UART 接口

• 概述：采用 UART 通信方式，仅需两个低速光耦实现隔离通信，固定波特率 4800bps，N，8，1.5，工作在从模式，半双工通信。
• 写入和读取时序：写入时主机先发送命令字节（0xA8），再依次发送地址、数据和校验和字节；读取时主机先发送命令字节（0x58）和地址字节，SSP1840 再依次发送数据和校验和字节。
• 数据包发送模式：通过命令“(0x58) + 0xAA”可返回一个 35 字节的全电参数数据包。
• 保护机制：提供超时保护机制，字节间隔时间超过 18.5mS 自动复位；帧识别字节或校验和字节错误则放弃该帧数据；RX 管脚低电平超过 6.65mS 后拉高，UART 模块复位。

八、封装

SSP1840 采用 TSSOP14 封装，具体尺寸有详细规定，为芯片的安装和使用提供了标准。

SSP1840 芯片以其丰富的功能、高精度的测量和良好的稳定性，为电子工程师在电能计量相关设计中提供了一个优秀的选择。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求，合理利用芯片的各项功能，实现高效、准确的电能计量和监控。你在使用 SSP1840 芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。