单相有功及有效值计量芯片


BL6525
?
? ? ? ?

单相有功及有效值计量芯片

特点
高精度,在输入动态工作范围(1000:1)内, 在输入动态工作范围(500:1)内,电流有效值 在输入动态工作范围(500:1)内,电压有效值 低速模式下脉冲输出高稳定性,输出频率波动

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概述
BL6525 集成电路是电子式电度表的核心计量

有功功率非线性测量误差小于 0.1% 绝对测量误差小于 0.1% 绝对测量误差小于 0.3% 小于 0.2%。 另具有高速脉冲输出模式, 可以用于高 速校验 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 精确测量正、负两个方向的有功功率,且以同 精确测量视在功率, 并以快速脉冲输出 CF_VA 精确测量电流电压有效值,并以快速脉冲输出 防窃电功能,逻辑输出脚 REVP 用于显示反向 芯片上有电压检测电路,检测掉电状况 具有防潜动功能 芯片上带参考电压源 2.5V±8%(温度系数典 芯片上带晶振时钟(芯片内置晶振) 单工作电源 5V,低功耗 20mW(典型值) 一方向计算电能,以快速脉冲输出 CF

芯片,它在设计上采用了过采样和数字信号处理技 术,从而大大地提高了芯片的测量准确度。同时, 在 A/D 转换后的数据均由数字电路进行运算和处 理,保证了芯片的长期稳定性。基于此芯片设计的 电子式电度表具有外围电路简单、精度高、稳定性 好等特点,适用于单相两线电力用户的电能计量。 BL6525 对正反向有功功率、视在功率和电流 电压有效值均可测量,且可将有功功率、视在功率 及电流电压有效值转换成与输入信号成正比的脉 冲输出, 同时在芯片引脚(REVP)上给出了反向用电 指示。 因此, 用 BL6525 制成的电子式电度表可以 完全符合新一代国家电网要求。 在 BL6525 中充分考虑到兼顾电度表潜动和起 动性能的不同要求,采用了合理的数字化的防潜动 阀值设计,在保证可靠地防止潜动的前提下,使起 动电流远低于标准要求。 在 BL6525 中可以给出高速脉冲,对应最大输 入情况下,高速脉冲输出可以达到 15kHz 左右,方 便数字校验.

CF_I 和 CF_V 用电或者错误用电状况

型值 30ppm/℃) ,也可以使用外部电压源

注: 相关专利申请中。

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管脚与框图

DIP/SOP 16

BL6525 系统框图

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? 管脚描述
管脚号 1 2,3 4,5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 符号 VDD V2P,V2N V1N,V1P GND VREF SCF S0 G RCLKIN REVP CF_VA CF CF_V CF_I 说明

单相双向电能计量芯片

正电源(+5V) ,提供模拟数字部分电源,正常工作时电源电压应该保持 在 5V±5%之间。 电压采样信号的正,负输入脚。最大差分输入电压为?660mV。 电流采样信号的负,正输入脚。最大差分输入电压为?660mV。 电路的接地点。 参考电压调整端,片内基准电压标称值在 2.5?8%,温度系数典型值为 30ppm/?C。允许使用外部 2.5V 电压输入。 模式选择,通过 SCF,S0 的组合可以给出 4 种不同的输出频率。 模式选择,通过 SCF,S0 的组合可以给出 4 种不同的输出频率,为电表 校验提供帮助。具体数值见后面。 用来选择电流通道的系统增益,增益选择具体数值见后面。 外接 6.2K 低温度系数电阻。 负向有功功率指示信号,当电流通道和电压通道输入信号的相位差大于 90?时,该脚输出高电平。 校验脉冲输出脚,输出频率正比与视在功率的大小,可以有 4 种选择。 校验脉冲输出脚,输出频率正比与有功功率的大小,可以有 4 种选择。 校验脉冲输出脚,输出频率正比与瞬态电压有效值,可以有 4 种选择。 校验脉冲输出脚,输出频率正比与瞬态电流有效值,可以有 4 种选择。

? 极限范围
(T = 25 ℃) 项目 模拟数字电源电压 VDD VDD 变化 输入电压(相对于 GND) 工作温度 贮藏温度 功耗(SOP16) Vv Topr Tstr 符号 VDD 极值 -0.3~+7(max) -0.3~+0.3 VSS+0.5≤Vv≤VDD-0.5 -40~+75 -55~+150 350 单位 V V V ℃ ℃ mW

? 电参数
(T=25℃,VDD= 5V) 测量项目 1 电源电流 输入高电平 输入低电平 输入电容 2 逻辑输出脚 CF , CF_VA , CF_I,CF_V 输出高电平
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符号 IVDD VIH VIL CIN

测量条件

测量点 Pin1

最小 0.5 2

典型 4

最大 5 1 10

单位 mA V V pF

VDD=5V

Pin13 , 14,15, 16 VOH2 IH=10mA 4.4
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V
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输出低电平 输出电流 3 逻辑输出脚 REVP 输出高电平 输出低电平 输出电流 4 基准参考电压 温度系数 5 模拟输入脚 V1P,V1N V2N,V2P 最大输入电平 直流输入阻抗 输入电容 6 精度 两个通道相位误差 电流超前 37?C (PF=0.8 容性) 电流滞后 60?C (PF=0.5 感性) 7 防潜阈值 8 正、 负向有功功率 测量误差 9 电源监控电路检 测电平(掉电检测电 平) Ib=5A C=1400 ENP Vv=?110mV ,V(I)=2mV, cos?=? 电源从 3.5V ~ 5V 变化, 电流电压通 道满幅输入 Pin14 Pin14 Pin14 6 VAIN Pin2,3, 4 ,5 VOH2 VOL2 IO2 Vref VDD=5V Pin7 IH=5mA IL=5mA VOL2 IO2 Pin12 IL=10mA

单相双向电能计量芯片
0.5 10 V mA

4.4 0.5 5 2.3 2.5 30 2.7

V V mA V ppm/?C

?1 330 10

V Kohm pF

0.1 0.1 0.0015 0.003

度(°) 度(°) %

Pin14

0.1

%

Vdown

Pin14

3.9

4

4.1

V

指标说明 1)非线性误差% BL6525 的电压通道输入固定 Pin3, pin2 之间交流电压 Vv 为 110mV, 功率因数 cos?=1, Pin5 与 Pin4 之间电压 Vi 在对应与 2%Ib~3000%Ib 范围内,任何一点输出频率相对于 Ib 点的测量非线 性误差小于 0.1% eNL%=[(X 点误差%-Ib 点误差%)/(1+Ib 点误差%)]*100% 2)防潜阈值 典型情况下,CF 输出所代表的最小功率为满量程 (电流及电压输入都满刻度,都为 473mV 有效值) 输出的 0.0015%,对于低于该阈值的功率,不输出计量脉冲。 3)正负输入功率 指 Pin3-Pin2 间 的 电 压 采 样 信 号 V(V) 与 Pin5-Pin4 间 的 电 流 通 道 输 入 信 号 V(I) 乘 积 V(V)*V(I)*cos?的符号,大于零为正功,小于零为负功。
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4)正、负向有功功率误差% 在相等的有功功率条件下,在 V(V)=?110mV、V(I)对应 Ib(5A)点,BL6525 测得的负向有 功功率与正向有功功率之间的相对误差: eNP%=|[(eN%-eP%)/(1+eP%)]*100%| eP%:正向有功功率误差;eN%:负向有功功率误差。 5)电源监控电路检测电平(掉电检测电平) 片内电源监测电路检测电源变化情况,当电源电压低于 4 伏左右时,内部电路被复位。当电 源电压超过该值时,电路恢复工作在正常状态。

? 输出脉冲时序特性
(VDD =5V, GND= 0V,使用片内基准电压源,片内晶振时钟 CLK,温度-40~+85?C) 1)在低速模式 S0,SCF=11 时 输出脉冲 CF,CF_VA,CF_I 和 CF_V 均为高电平脉宽,在计量小功率和小的电流电压有效 值时,CF 定脉宽为 75ms。当计量大功率和大的输入电流电压时,CF,CF_VA,CF_I 和 CF_V 输 出周期小于 75ms 时,CF 的脉宽为周期的一半。 2)在高频模式 S0,SCF=01 和 10 和 11 时 CF,CF_VA,CF_V 的输出脉宽为 16us。 (片内晶振时钟 CLK=500KHz)

注:以上技术指标随以后设计及工艺的改变会有所变化,请随时关注最新的技术规范。

? 工作原理
电能计量原理 电能计量主要把输入的电压和电流信号按照时间相乘,得到功率随着时间变化的信息,假设 电流电压信号为余弦函数,并存在相位差Ф,功率为:
?

p(t ) ? V cos(wt ) ? I cos(wt ? ?)
令 ? =0 时:

p(t ) ?
令 ? ? 0 时:

VI (1 ? c o s2(wt ) 2

p (t ) ? V cos(wt ) ? I cos(wt ? ? ) ? V cos(wt ) ? ?I cos(wt ) cos(? ) ? sin( wt ) sin(? )? VI (1 ? cos(2 wt )) cos(? ) ? VI cos(wt ) sin( wt ) sin(? ) 2 VI VI ? (1 ? cos(2 wt )) cos(? ) ? sin(2wt ) sin(? ) 2 2 ?
p(t)称为即时功率信号,理想的 p(t)只包括两部分:直流部分和频率为 2ω的交流部分。前者 又称为即时实功率信号。即时实功率是电能表测量的首要对象。 有功电能计量信号流 在通过对电流电压信号高精度采样及模数转换后,电流电压信号通过数字乘法器得到瞬态功 率信号 p(t)。让 p(t)通过一个截至频率很低(如 1Hz)的取直低通滤波器,把即时实功率信号取出 来。然后对该实功率信号对时间进行积分,得到能量的信息。如果选择积分时间十分的短,可以
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I 电流 采样 电压 采样 模-数 转换 模-数 转换 高通 滤波 数字 乘法器 V 高通 滤波 瞬时功率信号p(t) V*I p(t)=i(t)*v(t) 其中 v(t)=V*cos(wt) i(t)=I*cos(wt) p(t)= t V*I 2 {1+cos(2wt)} 低通 滤波

单相双向电能计量芯片

认为得到的是即时能量消耗的信息,也可以认为是即时功率消耗的信息,因为前后两者成正比关 系。如果选择的较长的积分时间,得到的是平均的能量消耗的信息,同样也可以认为是平均功率 消耗的信息。
数字频率 转换 CF F1 F2

积分

瞬时实功率信号

V*I 2

V*I 2 t

取直低通滤波器的输出会被送到一个数字-频率转换的模块, 在这里即时实功率会根据要求作 长时或短时的积分(即累加计数) ,转换成与周期性的脉冲信号,这就是电子电能表的基本输出信 号。输出的脉冲信号的频率与能量消耗的大小成正比。输出脉冲送到片外的计数马达,并最终得 到能量消耗的大小的计数值。 可以看出计算出的即时实功率与电压和电流信号的相位差的余弦值 cos(Ф)的有关, 该余弦值 被称为这两路信号的功率因子。

?

输入的直流成分对测量结果的影响

假设电压和电流输入直流成分分别是 Vos 和 Ios,且功率因子等于 1( ? =0 度) p(t)=(Vcos(wt)+Vos)*(Icos+Ios) =V*I/2+Vos*Ios+Vos*Icos(wt)+Ios*Vcos(wt)+(V*I)/2*cos(2wt) 令 Ios=0 p(t)=(Vcos(wt)+Vos)*(Icos+0) =V*I/2+Vos*0+Vos*Icos(wt)+0*Vcos(wt)+(V*I)/2*cos(2wt) =V*I/2+Vos*Icos(wt)+(V*I)/2*cos(2wt) 从上面的计算看到:如果输入的两路信号同时具有直流成分,会给即时实功率,即乘积的直
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流部分带来 Vos*Ios 的误差,还有在ω频率处出现 Vos*I+Ios*V 的分量,前者必然引起测量误差, 而后者也会当取直低通滤波器的对ω抑制不够时影响即时实功率的输出,带来大的波动。 而当电压或电流中的一路经过数字高通滤波器后,如去掉电流采样信号的直流偏移项。这时 仅有一路输入有直流成分时,乘法的结果有了很大的改善:没有了直流误差,w 频率处的分量也 减少了。 电压通道输入 电压通道允许最大输入差分电压为?660mV,共模电压 100mV。然而,共模电压为 0V 时效 果最好。
?
V1
V2P

+660mV

+ -

最大输入差分电压为±660mV

V1 V2N

V2

V2

最大输入共模电压100mV -660mV
AGND

电压通道的典型连接电路如下图所示,其中,第一种是用 PT(电压互感器) ,第二种是用电 阻分压网络提供电压信号。
CT RF V2P CF RF CF

+ -

±660mV

AGND

V2N

火线

零线

AGND

AGND

Ra

CF

Rb

AGND

AGND

Rv

±660mV

V2P

火线

零线
AGND RF V2N CF AGND AGND

+ -

其中 Ra >> RF Rb+Rv=RF

电流通道输入 电流通道允许最大输入差分电压为?660mV,共模电压 100mV。然而,共模电压为 0V 时效 果最好。
? ?

有效值计算 有效值也就是信号的均方根(Root Mean Square-RMS) ,一个连续信号的均方根计算如下:

Vrms ?

1 V 2 (t )dt T? 0

T

对于数字信号,该公式变为:
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Vrms ? 1 N 2 ?V (i) N i ?1

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BL6525 中电流电压有效值通过以下信号流实现,其中真有效值通过平方,滤波和开根号来 实现。

? 工作方式
工作模式选择 Pin8(SCF) ,Pin9(S0)是 BL6525 芯片模式选择管脚,可以通过接不同的电压(+5V,0V) 来调整芯片的工作模式。 电流通道允许最大输入差分电压为?660mV(有效值 467mV) ,最大共模电压 100mV。 电压通道允许最大输入差分电压为?660mV(有效值 467mV) ,最大共模电压 100mV。 Pin13(CF_VA) ,Pin14(CF) ,Pin15(CF_V) ,Pin16(CF_I)的输出频率与 Pin8(SCF) , Pin9(S0)输入脚关系如下表所示:
?

模式 S0,SCF S0, SCF=11

输入等 效 Ib 100% 1600% 100% 1600% 1600% 100%

电流输入端 V (I)输入信号 有效值 (V) 0.028 0.448 0.028 0.448 0.448 0.028 0.448 0.448 0.028 0.448 0.448

电压输入端 V (V) 输入信号 有效值(V) 0.1165 0.466 0.1165 0.1165 0.17475 0.1165 0.1165 0.17475 0.1165 0.1165 0.17475

CF 频率 (HZ) 1 64 256 4096 6144 512 8192 12288 1024 16384 24576

CF_VA 频率 (HZ) 1 64 256 4096 6144 512 8192 12288 1024 16384 24576

CF_I 频率 (HZ) 3 48 384 6144 6144 768 12288 12288 1536 24576 24576

CF_V 频率 (HZ) 8 32 512 512 768 512 512 768 1024 1024 1536

S0, SCF=10

S0, SCF=01

1600% 1600% 100%

S0, SCF=00

1600% 1600%

芯片工作计算公式 BL6525 对输入的电压和电流两个通道的输入电压求乘积,并通过信号处理,把获取的有功 功率、视在功率和电流电压有效值信息转换成频率。以高电平有效的方式从 CF,CF_VA,CF_I, CF_V 脚分别输出与有功功率和视在功率相关的频率信号。
?

1)功率的输出脉冲(CF 和 CF_VA)计算公式(PF=1 时候) : 2 Freq=V(I)*V(V)*G*F / Vref Freq——引脚 CF 输出脉冲频率 V(V)——电压通道的输入电压的有效值
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V(I)——电流通道的输入电压有效值 Vref——基准电压(2.5?8%) F——分频系数由 SCF 和 S0 确定 G----电流通道的系统增益,由 G 的逻辑输入决定 电流输入端 V (I)输入信号 有效值 (V) 0.028 0.448 0.028 0.448 0.448 0.028 0.448 0.448 0.028 0.448 0.448 电压输入端 V (V) 输入信号 有效值(V) 0.1165 0.466 0.1165 0.1165 0.17475 0.1165 0.1165 0.17475 0.1165 0.1165 0.17475

单相双向电能计量芯片

模式 S0,SCF

输入等 效 Ib 100% 1600% 100% 1600% 1600% 100%

F 1916.0 1916.0 490496.6 490496.6 490496.6 980993.3 980993.3 980993.3 1961986.5 1961986.5 1961986.5

CF 频率 (HZ) 1 64 256 4096 6144 512 8192 12288 1024 16384 24576

CF_VA 频率 (HZ) 1 64 256 4096 6144 512 8192 12288 1024 16384 24576

S0,SCF=11

S0,SCF=10

S0,SCF=01

1600% 1600% 100%

S0,SCF=00

1600% 1600%

2)电流有效值的输出脉冲(CF_I)计算公式: Freq=V(I)*G*Fi / Vref Freq——引脚 CF 输出脉冲频率 V(I)——电流通道的输入电压有效值 Vref——基准电压(2.5?8%) Fi——分频系数由 SCF 和 S0 确定 G----电流通道的系统增益,由 G 的逻辑输入决定 电流输入端 V (I)输入信号 有效值 (V) 0.028 0.448 0.028 0.448 0.448 0.028 0.448 0.448 0.028 0.448 0.448

模式 S0,SCF

输入等 效 Ib 100% 1600% 100% 1600% 1600% 100%

Fi 267.9 267.9 34285.7 34285.7 34285.7 68571.4 68571.4 68571.4 137142.9 137142.9 137142.9

CF_I 频率 (HZ) 3 48 384 6144 6144 768 12288 12288 1536 24576 24576
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S0,SCF=11

S0,SCF=10

S0,SCF=01

1600% 1600% 100%

S0,SCF=00

1600% 1600%

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3)电压有效值的输出脉冲(CF_V)计算公式: Freq=V(V)*Fv / Vref Freq——引脚 CF 输出脉冲频率 V(V)——电压通道的输入电压有效值 Vref——基准电压(2.5?8%) Fv——分频系数由 SCF 和 S0 确定 电压输入端 V (V) 输入信号 有效值(V) 0.1165 0.466 0.1165 0.1165 0.17475 0.1165 0.1165 0.17475 0.1165 0.1165 0.17475

单相双向电能计量芯片

模式 S0,SCF

输入等 效 Ib 100% 1600% 100% 1600% 1600% 100%

Fv 171.7 171.7 10987.1 10987.1 10987.1 10987.1 10987.1 10987.1 21974.2 21974.2 21974.2

CF_V 频率 (HZ) 8 32 512 512 768 512 512 768 1024 1024 1536

S0,SCF=11

S0,SCF=10

S0,SCF=01

1600% 1600% 100%

S0,SCF=00

1600% 1600%

注:F,Fi,Fv 的值与工艺偏差有关,具体须根据实际测量值修正。
系统增益选择 通过选择数字输入端 G 的输入电平(5V 或 0V) ,可以调整电流通道的系统增益,在增大系 统增益的同时,减小了输入的动态范围,具体选择见下表:(缺省为 0)
?

G 1 0

增益 1 16

最大输入差分电压 ?660mV ?41mV

注:由于工艺和设计变化等原因所引起的以上规范的变化,不另行通知。请随时索取最新版本的 产品规范。

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