摘要：详细叙述了采用pl3223专用数字电能表芯片设计三相电能表过程中的相关参数设计计算方法，并结合具体实例给出了测试验证结果。
关键词：pl3223 三相电能表 计量设计
0 引言
随着用户用电负荷的增加，三相电能表的使用范围得到了扩大；同时对供电质量要求的提高，供电部门需要了解用户的各种用电参数，如功率、电压、电流、频率等，这使得三相电能测量专用ic获得了快速发展，从国外的adi公司到国内各芯片厂家，都先后推出了各自的专用三相电能计量ic。专用电能计量ic提供了高精度和高稳定的技术指标，简单的外围电路设计也大大降低了生产成本。
pl3223是一款最新推出的三相数字电能表集成专用计量芯片，采用专用硬件电路设计实现：包括多路高精度a/d、可编程增益放大器（pga）、hilbert滤波器等；具备齐全的多功能电参数测量，适用于各类多功能三相电能表方案。
1. 芯片计量特性介绍
pl3223内部集成有二阶σ-δ adc, 参考电压源, 温度传感器, 电源检测，有功/无功电能计量、电压/电流有效值、频率测量的数字信号处理模块。单5v供电，晶体专配为9.6m。
1.1 pl3223管脚
pl3223支持spi接口，具有有功、无功功率脉冲输出, 带有可自定义分频比的字轮驱动脉冲输出；芯片采用qfp44 引脚封装，主要管脚见表1（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第3期）。
1.2 计量特性
pl3223芯片的计量标准符合iec678/61036、gb/t 17882有关规定；主要计量特性如下：
（1）在1000:1的动态范围内，有功电能计量误差小于0.1%，无功误差小于0.2%
（2） 无功电能计量精确测量至21次谐波
通过spi总线，实现与mcu的接口，芯片内部提供电能的多个参数量，如电网频率、电压/电流有效值、断相/欠压/过压告警、三相电压/电流的实时采样值。
pl3223支持电阻网络校表；同时提供全数字的校准功能，配合单片机可以完成高效精密的校准任务。
2 三相电能计量设计方法
三相电能表根据使用条件，分为互感器式、直入式。对于大电流用户，采用外接一次互感器，按标准其电流输出为5a；相应三相电能表为最常见的互感器式、电流规格1.5/6a。
2.1 三相电能计量的设计条件
（1）电压规格：220v/380v，三相四线
（2）电流规格：1.5/6a，及基本电表为1.5a，最大电流6a
2.2 选择pl3223作为主计量芯片，根据设计要求初步选定的条件
（1）三相四线模式：tf=0
（2）选用各相电能代数和模式：mod=0
（3）三相电流输入：最大电流6a时，输入信号为vrms=200mv，保证一定的电流过载能力
（4）三相电压输入：220v时，输入信号为vrms=180mv，保证120%ue时的计量线性度
2.3 三相电流二次互感器选择
电表的二次互感器选择：1.5-6a/5ma，20欧姆负载，精密度0.1级；电流取样参考图1(略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第3期)。
其中ra1、ra2为电流回路的取样电阻，必须选择误差1%、温度系数±100ppm/℃的精密电阻；ra3、ra4为输入电阻，阻值为1k；ca1、ca2为互感器相差补偿电容。取样电阻值选择为4.3ω，计算结果见表2
表2 电流取样电路取值
计算公式
额定电流ib
最大电流4*ib
过载6倍
vi=ri，vi为电流输入有效值
r=2*4.3=8.6欧姆
5ma，
vi=43 mv
20ma，
vi=172mv
30ma，
vi=258mv
电流取样设计基本可以满足6倍额定电流的线性度。
2.4 有功脉冲最大输出频率cf
根据电能计量原理，cf计算公式：
cf=3 k*un*ib/1000/3600 （1）
其中：un：额定相电压值(v)， ib：额定相电流值(a)， k：电表脉冲常数
取k=3200imp/kwh，将un=220v，ib=1.5a，代入公式（1）计算：
cf=0.88hz，根据手册进行跳线选择，得到表3。
表3 跳线选择
scf
s2
s1
cfscl
0
1
0
4
显然，4倍ib时最大极限有功脉冲频率为：cfmax=4*cf=3.52hz。该频率比较接近电能表标准要求的脉宽80～100ms（对应约5hz），比较适合由mcu进行脉冲计量[1]。
2.5 三相电压回路采样电路设计
根据pl3223手册[2]的公式（7），得到电压取样值vu的计算公式为：
vu = (cf *cfscl)/ (3*192.94* vi) （2）
代入已知各变量数据到公式（2），得到：vu=141mv。
该电压取样值，选择在输入幅度约2/3量程左右，可保证精度和120%un时计量精度。
分压采用电阻网络方式，选定的值（从高电压端起）依次为：
选择为：470k、300k、300k、300k、150k、75k、39k、18k、9.1k、5.1k、2.2k 、1.2 k、0.56k，总和约为1670 k；电压取样电阻为1k，根据以上电阻进行分压核算：vu = r分压*220v/r总 = 1k *220v/（1670k +1k） ≈ 0.132v =132mv
取样电路如图2（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第3期），分压电阻全部焊接时，可能的精度误差为：-5.5%。
ra20
