三相有功功率 计量芯片


BL0952A/BL6513/BL6511
特点
高精度,在输入动态工作范围(500:1)内,非 线性测量误差小于 0.1% 校表过程中高稳定性, 输出频率波动小于 0.1% 输入信号频率变化(45Hz~65Hz)引起的测量误 差小于 0.1% 单电源工作 (5V) 静态功耗 25mW , (典型值) , 可以采用阻容分压电源方案供电 可以选择代数求和或绝对值求和两种方式来 计量三相平均功率和 精确测量正、负两个方向的有功功率,且以同 一方向计算电能 慢速输出脉冲(F1、F2)能直接驱动电机工作 快速输出脉冲(CF)可用于计算机数据处理 防窃电功能,逻辑输出脚 REVP 用于显示三相 中任一相存在反向用电 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 2.42V±8% 采用 SOP24 封装形式

三相有功功率 计量芯片

概述
BL0952A/BL6513/BL6511 集成电路是三相电 子电度表的核心计量芯片,采用低功耗设计,芯片 静态功耗 25mW(典型值) ,因此可以采用三相阻 容分压电源,大大降低了生产成本。基于此芯片设 计的三相电子电度表具有外围电路简单、精度高、 稳定性好等特点,适用于三相三线和三相四线电力 用户的电能计量。 BL0952A/BL6513/BL6511 是基于数字信号处 理的电能计量芯片,有测量正向和负向有功功率的 功能。它可以通过选择采用绝对值或代数和相加之 一的方式来计量有功功率和。CF 输出以较高频率 的脉冲,用于校验和计算机数据处理, 和 F2 输出 F1 较低频率的脉冲用于驱动脉冲电机,间接驱动机械 字轮计度器计算功率,记录用电量。 片内电源检测电路可以进行掉电检测,当电源 低于 4V 时,将关闭 CF、F1、F2 的输出。 片内电路结构完全保证电压和电流通道的信 号在乘法器前的相位匹配。这保证了输入信号在 45Hz~65Hz 范围内的频率变化对增益基本没有影 响。 片内防潜动逻辑可以保证无潜动。 BL0952A/BL6513/BL6511 着重考虑了校表过

注: 相关专利申请中。

程中读数误差的稳定性的需求,成品测量数据表明 输出校表脉冲信号有极强的稳定度(CF 的波动小 于 0.1%) 。

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 符号 CF DGND VDD REVP IAP, IAN; IBP, IBN; ICP, ICN AGND REF 说明

三相有功功率 计量芯片

高速校验脉冲输出脚,输出频率正比与平均有功功率的大小,可以 有多种选择。 内部数字电路接地点。 正电源(+5V) ,提供模拟和数字部分电源,正常工作时电源电压应 该保持在+4.75V~+5.25V 之间。 负向有功功率指示信号,在任何一相中,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。 三相电流采样信号的正,负输入脚。最大差分输入电压为±500mV。

内部模拟电路的接地点。 参考电压输出/输入端,片内基准电压标称值 2.42±8%,温度系数典 型值为 30ppm/°C。允许使用外部 2.5V 电压输入。 外部接 100uF 电容,可有效抗高速脉冲群干扰。 VAP,VBP,VCP 与 VN 分别构成三相电压采样信号的正,负输入脚。 最大差分输入电压为±500mV。 用于选择代数和或绝对值相加方式。当为 0 时,选择绝对值相加, 为 1 时选择代数和相加。 高频校验脉冲选择端,与 S1,S0 组合起来选择 CF 的输出频率。 外部时钟引入或与 CLKOUT 之间接晶振,3.58MHz 时钟驱动脚或与 CLKIN 之间接晶振 通过 S1,S0 的组合可以针对不同的电表常数选择不同的工作模式, 为 电表设计提供更大的选择范围。 低速校验脉冲输出脚, 其输出频率正比于平均有功功率的大小, F1,F2 为非交叠输出,可以驱动机电式计度器或两相步进电机。输出频率 见芯片计算公式。

13, 14, 15, 16 17 18 19 20 21, 22 23, 24

VN, VCP VBP, VAP ADDSEL SCF CLKIN CLKOUT S0, S1 F1, F2

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封装尺寸

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极限参数
( T = 25℃ ) 项目 电源电压 VDD 电压通道输入电压(相对于 AGND) 电流通道输入电压(相对于 AGND) 工作温度 贮藏温度 功耗(SOP24) 符号 VDD Vv Vi Topr Tstr 极值 -0.3~+7 -VDD +0.5≤Vv≤VDD-0.5 -VDD +0.5≤Vi≤VDD-0.5 -40~+85 -55~+150 80 单位 V V V ℃ ℃ mW

常温电参数
(T=25℃, VDD = 5V,CLKIN=3.58MHz) 测量项目 1 电源电流 2 逻辑输入脚 SCF, S0, S1, ADDSEL 输入高电平 输入低电平 输入电容 3 逻辑输出脚 F1, F2 输出高电平 输出低电平 输出电流 4 逻辑输出脚 CF, REVP 输出高电平 输出低电平 VOH2 VOL2 IH=10mA IL=10mA -3Total 3 Pages VIH VIL CIN Pin23, 24 VOH1 VOL1 IO1 Pin1, 4 4.4 0.5 V V IH=10mA IL=10mA 10 4.4 0.5 V V mA 10 VDD=5V 符号 IVDD 测量条件 测量点 Pin3 Pin17, 18, 21, 22, 3 1 V V pF 最小 典型 最大 8 单位 mA

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输出电流 5 基准参考电压 温度系数 6 模拟输入脚 IAP, IAN, IBP, IBN, ICP, ICN, VN,VCP, VBP, VAP 最大输入电平 直流输入阻抗 输入电容 ADC offset 7 精度 电流通道的非线性 测量误差 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) 8 启动电流 ISTART Ib=5A, C=800, cos?=1, 电压 通道 110mV rms Vv=110mV rms, Vi=50mV rms, cos?=±1 Pin1 Pin1 Pin5, 6, 7, 8, 9, 10 电压通道输入 ±500mV rms; 动态范围 500:1 Pin1 Voff 6 VAIN Pin5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 16 IO2 Vref VDD=5V Pin12 5

三相有功功率 计量芯片
mA V ppm/°C

2.42 30

±500 330 10 ±15 0.1

mVpp Kohm pF mV %

0.1 0.1 0.2% Ib

Degrees Degrees A

9 正、 负向有功功率误差 % 10 增益误差 11 电源监控电路检测电 平(掉电检测电平)

ENP

Pin1

0.1

%

Gain error Vdown 电源从 3.5V~5V 变化, 电流电压通道 满幅输入

Pin1

±5 4

±9

% V

指标说明 1)非线性误差% BL0952A/BL6513/BL6511 的三个电压通道输入固定,交流电压 V(V)为±110mV,功率 因数 cos?=1,三相电流通道输入(PIN5 和 PIN6,PIN7 和 PIN8,PIN9 和 PIN10)之间电压 Vi 在对应与 5%Ib ~ 500%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)启动电流 在电表常数 C=800,基本电流 Ib=5A、cos?=1、V(V)=±110mV rms、5%Ib 点电度表误 差为正常范围的条件下,能使 Pin1 产生脉冲信号的电流回路中的最小交流电流。
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3)正、负向有功功率误差% 在相等的有功功率条件下,电流输入为 Ib=5A 点,BL0952A/BL6513/BL6511 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。 4)输入功率(正/负) 指各相电压采样信号 V(V)与各相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。 5)增益误差 由于工艺偏差造成的芯片与芯片的增益略有不同,这种偏离相对于标称值的百分比为增 益误差。 6)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。

时序特性
(VDD =5V, AGND=DGND=0V, 使用片内基准电压源, CLKIN=3.58MHz, 温度-40~+85°C)

参数 t1

数值 145ms

说明 F1 和 F2 的高电平脉宽,在低功率时,F1、F2 输出定脉宽,为 145ms。 当计量大功率时,F1(F2)输出周期小于 290ms 时,F1(F2)的脉宽 为 F1 和 F2 综合周期的一半。 F1,F2 输出低速脉冲周期,见 BL0952A/BL6513/BL6511 计算公式 F1 上升沿到 F2 上升沿之间的时间 高速输出脉冲 CF 的高电平脉宽, 在计量小功率时, 定脉宽为 90ms。 CF 当计量大功率时,CF 输出周期小于 180ms 时,CF 的脉宽为周期的一 半。 CF 输 出 高 速 脉 冲 频 率 , 见 CF 与 F1,F2 之 间 关 系 及 BL0952A/BL6513/BL6511 计算公式

t2 t3 t4 t2 周期的一半 90ms

t5 t6 CLKIN/4

F1,F2 之间的最小时间间隔

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工作原理

三相有功功率 计量芯片

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, Umax、 Imax 为输入电压和电流信号峰值, 并存在相位差Ф, 功率为:

p (t ) =U max cos(ω t )×I max cos(ω t +Φ )
U I p (t ) = max max [1+ cos(2ω t )] 2 令 Φ =0 时:
cos(ω t ) × I cos(ω t + Φ )

令 Φ ≠ 0 时:
p (t ) = U max

max

=U max cos(ω t )×[ I max cos(ω t )cos(Φ )+ I max sin(ω t )sin(Φ )] U I = max max [1+cos(2ω t )] cos(Φ )+U max I max cos(ω t )sin(ω t )sin(Φ ) 2 U I U I = max max [1+cos(2ω t )]cos(Φ )+ max max sin(2ω t )sin(Φ ) 2 2 U I U I = max max cos(Φ )+ max max [ cos(2ω t )cos(Φ )+sin(2ω t )sin(Φ )] 2 2 U max I max U max I max = cos(Φ ) + cos(2ω t + Φ ) 2 2

P(t)称为瞬态功率信号,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。 前者又称为平均功率信号。
U I P= max max cos(Φ) 2

可以看出平均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数 PF(Power Factor)。

当电流电压的相位差超过 90 度时,P 为负,表明反向用电。 三相计量芯片的主要功能是计量三相平均功率的和(绝对值和或代数和) ,并输出与功 率成正比的频率信号。 当采用代数相加时,三相功率和为:

PTOTAL = PA + PB + PC
如果三相中有一相为负时,其值会与其它为正项互相抵消。 当采用绝对值相加时,三相功率和为:

PTOTAL = PA + PB + PC
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电能计量信号流(局部)

三相有功功率 计量芯片

BL0952A/BL6513/BL6511 内置六通道高精度模数转换器,三相的电流电压信号通过采 样及模数转换后,通过数字乘法器得到各相的瞬态功率信号 P(t)。让 P(t)通过一个截至频率 很低(如 1Hz)的低通滤波器(LPF) ,把平均功率信号取出来。然后对每相功率做代数相 加或绝对值相加(可选) ,获得三相功率和。 三相功率和的输出会被送到一个数字-频率转换的模块,在这里,平均功率会根据要求 作长时或短时的积分(即累加计数) ,转换成与功率大小成正比的周期性的脉冲信号,这就 是电子电能表的快速校验输出信号 CF。 通过对快速脉冲 CF 的不同分频,可以按照 8 种不同模式获得驱动步进马达的二拍驱动 信号 F1 和 F2。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。 输入的直流成分对测量结果的影响 直流偏移成分来源于输入信号和前端模拟电路本身。 假设电压和电流输入直流成分分别是 Uoffset 和 Ioffset,且功率因子等于 1( Φ =0 度)

p (t ) = [U cos(ωt ) + U offset ] × [ I cos(ωt + Φ) + I offset ] = UI UI + I offsetV cos(ωt ) + U offset I cos(ωt ) + cos(2ωt ) 2 2

从上面的计算看到:对于每相输入,如果电流电压信号同时具有直流成分,会给平均功 率,即乘积的直流部分带来 Uoffset*Ioffset 的误差,还有在ω频率处出现 Uoffst*I + Ioffset*V 的分量, 前者必然引起测量误差, 而后者也会当后续的低通滤波器的对ω抑制不够时影响平 均功率的输出,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。
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三相有功功率 计量芯片

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。

如果在电流电压两路都经过数字高通滤波器, 会进一步抑制乘法器后的 50Hz 输出分量, 提高输出信号的稳定性。同时完全匹配电流和电压通道,提高 PF=0.5C 和 PF=0.5L 时的性 能。BL0952A/BL6513/BL6511 就是采用该种结构,虽然,系统规范给出输出信号波动小于 0.1%,实际测量中,校验输出具有很强的稳定性,典型输出信号波动小于 0.05%。 另外,该结构保证了 BL0952A/BL6513/BL6511 的频率特性,在输入信号从 45Hz~65Hz 的频率范围内,其由于输入频率变化所造成的整机误差在 0.1%内。这样,针对 50Hz 频率设 计的表,可以用在 60Hz 的电网上而不需要校正。 电流通道输入 从电流互感器输出的电压作为采样差分电压,直接连接到 BL0952A/BL6513/BL6511 的 电流通道上。相对于 IAN、IBN 和 ICN,IAP、IBP 及 ICP 为正输入。电流通道中差分信号 满刻度为峰值±500mV(对于正弦信号,有效值为 353mV) 。 下图显示了电流通道 IA 的典型连接方法,需要注意的是,通道中的差分信号由电流互 感器经负载电阻得到。通过调节电流互感器的变比和采样电阻 Rb,可以在最大负载下得到 峰值为±500mV 的差分电压。
CT RF IAP Rb CF RF

+ -

±660mV

AGND CF

IP 火火 零火
AGND

IAN

AGND

电压通道 线电压经互感器输出或电阻分压网络连接到 BL0952A/BL6513/BL6511 的模拟输入,电 压通道为一种伪差分输入,相对于 VN 接地,VAP、VBP 和 VCP 为正端。 电压通道中的最大输入差分信号为峰值±500mV(对于正弦信号,有效值为 353mV) 。 下图是电压通道的两种典型连接方法。第一种是使用电压互感器 PT 使输入部分与供电 线路隔离开来。 第二种方法通过电阻分压来提供与线电压成正比的通道输入信号。调节 Ra,Rb 和 VR 的比值,可以方便地进行电表增益校准。在实际中,通过电阻分压网络对电表增益做一次调 校。

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PT RF VAP CF

三相有功功率 计量芯片

+ -

±660mV
RF CF AGND VN

火火

零火

AGND

AGND

Ra

CF

Rb

AGND

AGND

Rv

±660mV

VAP

火火

零火
AGND RF VN CF AGND AGND

+ -

其其 Ra >> RF Rb+Rv=RF

注意:电流,电压通道由于外部器件不同,会造成相位的匹配误差(主要由于 RC 常数 不同,相移不同) ,通过调整电压通道的外部电容 Cf 可以调整相位误差,相位误差会影响 PF=0.5 时的系统增益,造成误差。 BL0952A/BL6513/BL6511 的制造工艺可以保证片与片的补偿值一致。 电源监视 BL0952A/BL6513/BL6511 有片上电源监视电路,可以一直监视电压源(VDD) 。当电压 源小于 4V ±5% ,BL0952A/BL6513/BL6511 的输出被关闭。这样可以保证设备在上电和掉电 下不发生异常。电源监视电路有迟滞和滤波作用,这就能够消除噪声引起的误动作,增加抗 噪性。 启动电平一般定在 4V,容限为±5%。正常情况下,VDD 上的波纹不应超过 5V±5%。 数字到频率转换 如前所述,通过乘法器后的低通滤波器,可以得到瞬时功率中的直流量,即平均有功功 率。然而,由于此低通滤波器不可能做成理想滤波器,因而低通后的输出信号依然会包含线 电压频率的谐波。 CF 计算通路 经过低通后,将三相功率信号进行叠加,然后通过数字到频率转换电路部分,在时间上 对功率信号累加得到输出频率信号。 这种对功率信号的累加能够将平均功率中的非直流量进 一步消去(平均掉) 。由于正弦信号的平均值为零,所以得到的频率信号是和平均实功率是 成正比的,上图也显示了在稳定负载(电流电压不变的情况下)下数字到频率转换的情况。 如上图所示,即使是在稳定负载条件下,输出频率 CF 也是随时间变化的。这主要是由 于瞬时平均实功率中 cos(2wt)的正弦分量。CF 上的输出频率可以达到 F1、F2 的 160 倍。如 果在更短的时间周期内累加功率,可以得到更高的输出频率。累加的时间越短,平均正弦分 量的效果就越差,这样,反映到输出 CF 就是 CF 存在大的波动。但这并不会在应用中造成 问题,若 CF 用在校验上,可以通过频率计数器来进行平均,这就会消除波纹。若 CF 用在 能量计量上,CF 输出也应该经平均来计算功率。CF 的波动对长期的计量准确性没有影响。 长期的计量相当于对输出信号的波动做了平均。 合理设计低通滤波器可以有效的抑制 CF 的波动。
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下图显示了输出频率 CF 的计算过程:

三相有功功率 计量芯片

选择三相有功电能的叠加模式 BL0952A/BL6513/BL6511 可 以 将 三 相 有 功 电 能 直 接 以 代 数 方 式 相 加 , 即

Wh = WhφA + WhφB + WhφC

; 也 可 以 按 绝 对 值 相 加 方 式 来 进 行 , 即 。方式的选择通过设置 ADDSEL 管脚来完成,该管脚的高电

Wh = WhφA + WhφB + WhφC

平和低电平分别对应于代数相加模式和绝对值相加模式。 启动电流 实际测量中,Ib 的 0.2%可以启动。 防潜动阈值 BL0952A/BL6513/BL6511 每相都有防潜动逻辑,其防潜动值设定为满幅输入的输出的 十万分之二,根据不同的工作模式,其最小频率见下表。 SCF 1 0 1 0 1 0 1 0 S0 1 0 0 0 0 1 1 1 S1 1 0 0 1 1 0 0 1 Min Freq On F1/F2 For AC input[Hz] 9.76E-06 1.56E-05 1.95E-05 3.13E-04 3.13E-04 6.25E-05 7.81E-05 1.25E-03 Min Freq On CF For AC input[Hz] 1.56E-04 2.50E-03 1.56E-04 5.00E-03 2.50E-03 1.00E-02 1.25E-03 1.00E-02

工作方式
芯片工作计算公式 BL0952A/BL6513/BL6511 对分别对三相输入电压和电流信号求乘积, 并通过信号处理,
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13.25×(U AP ×I A +U BP ×I B +UCP ×IC )×F1?5 2 VREF

三相有功功率 计量芯片

把获取的三相有功功率相加,并把功率信息转换成频率。以高电平有效的方式从 F1、F2 脚 输出与功率相关的频率信号。 实际功率的输出脉冲(F1、F2)计算公式
Freq =

Freq----引脚 F1,F2 输出脉冲频率 UAP, UBP, UCP----电压通道的输入电压的有效值(单位:V) IA, IB, IC----电流通道的输入电压有效值(单位:V) VREF----基准电压(2.42V±8%) F1-5----5 种模式系数不同,由 SCF, S1, S0 决定。 工作模式选择 SCF,S0,S1 是 BL0952A/BL6513/BL6511 芯片模式选择管脚,可以通过接不同的电压 (+5V 或 0V)来调整芯片的工作模式,CF、F1、F2 的输出频率与 SCF、S0、S1 输入脚关 系如下表所示: SCF 1 0 1 0 1 0 1 0 S0 1 0 0 0 0 1 1 1 S1 1 0 0 1 1 0 0 1 F1-5 0.575 0.921 1.150 18.42 18.42 3.683 4.604 73.67 Max Freq On F1/F2 For AC input[Hz] 0.488 0.781 0.976 15.625 15.625 3.125 3.906 62.5 CF vs. F1/F2 16 160 8 16 8 160 16 8 Max Freq On CF For AC input[Hz] ① 7.8 125 7.8 250 125 500 62.5 500

①注:电流,电压输入为峰值±500mV 的交流信号时 CF 输出。

计算实例
例1 如果 UA、UB、UC、IA、IB、IC 上,输入均为满刻度直流差分电压±500mV,理想输出频 率计算如下:

F1?5 = 0.575 Hz , SCF = S 0 = S1 = 1 V AN = VBN = VCN = IA = IB = IC
= 500mV dc = 0.5V

VREF = 2.42V (典型值,使用片内基准源,由于基准±8%的容限,实际的输出频率可能会
因设备的改变而改变。 )

Freq = 3 ×
例2

13.25 × 0.5 × 0.5 × 0.575 = 0.976 Hz 2.422

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电流电压通道输入峰值为 500mV 的交流电压,理想的频率输出计算如下:

三相有功功率 计量芯片

F1?5 = 0.575 Hz , SCF = S 0 = S1 = 1

U AN = U BN = U CN = IA = IB = IC = 0.5 / 2 V VREF = 2.42V (典型值)
Freq = 3 × 13.25 × 0.5 × 0.5 × 0.575 = 0.488 Hz 2 × 2 × 2.422

由上面两例可以看到,当输入电压为满刻度交流信号时,输出频率为输入满刻度直流 信号时输出频率的二分之一。而且最大输出频率与所计算的相数有关。

应用火路简图

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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