[信息与通信]新一代智能电能表计量技术及采用计量芯片BL6523A的实现方案

1、新一代智能电能表计量技术及采用计量芯片BL6523A的实现方案上海贝岭股份黄长江Huangcjbelling 2021年6月3日内容提要电能计量IC的发展国网智能电表对计量IC的要求新一代计量IC的功能特点及架构 设计中需注意的问题 设计举例贝岭IC在电表中的应用贝岭计量IC的质量控制2022/7/7belling - 2 -电能计量IC的发展电能计量IC的发展2022/7/7belling - 4 -时间发明人电能表的特点级数*1880德爱迪生利用电解原理的直流电能表1888意费拉里斯利用旋转磁场的原理的交流电能表1889德布勒泰无电流铁心的单磁通式的感应系电能表5.01890带电流铁心的多

2、磁通式的感应式电能表20世纪感应式电能表的制造理论形成并得到广泛应用1.02.020世纪80年代为提高测量精度,出现电子式电能表;出现多种电压电流模拟输入,模拟乘法的技术方案0.20.520世纪90年代加入了大规模数字集成电路.出现数字乘法,数字滤波为代表的高精度,高稳定度的电子电能表0.050.5电能计量IC技术概述基于模拟信号处理的电能计量2022/7/7belling - 5 -采用模拟乘法器(时分割乘法器、霍尔乘法器)对电压和电流信号进行实时乘积运算得到瞬时功率信号，然后通过滤波器滤除2，3，。等谐波分量得到平均功率，再经电压频率转换产生脉冲输出，该方案的典型代表是BL093X系列IC

3、电能计量IC技术概述基于数字信号处理的电能计量2022/7/7belling - 6 -采用两个完全独立的A/D转换器分别对电流和电压通道进行实时采样，然后采用数字乘法器求出瞬时功率信号，再经过LPF滤除高频量化噪声得到瞬时实功率信号，由数字积分器对该功率信号积分变成能量信号，最后由DTF转换为脉冲输出。数字乘法器时分割乘法器型霍尔乘法器型精度高一般一般启动电流小小一般频率响应10KHz14bits高分辨率情况下较贵。 Integrating ADC 用于慢速，精确测量领域，如数字电压计。可以提供高到22bits的分辨率，并对高频信号抑制。1 高精度2 相当低的功耗3 相当低成本 转换速率低。

4、以牺牲转换速率来增加分辨率。典型情况，对于12bits精度，每秒转换100300次。Sigma-Delta ADC 在过去几年，Sigma-Delta结构得到广泛使用，主要应用于高分辨率AD转换电路。Sigma-Delta最大的一个优点是能与DSP技术相结合，应用于Mix-signal电路。 Sigma-Delta转换器通过高速采样把模拟信号变成1bits的数字流，通过后续的数字滤波获得高的有效精度。1 高分辨率，高达20bits2 相对于Integrated ADC和VFC，有高的转换速率。3 能在Mixed-signal CMOS电路中提供低成本高精度的解决方法。4 由于采用过采样技术，对

5、前级抗混叠滤波的要求比较低。 1 如果需要更快的转换速率，必须采用高阶调制器。 2 与SAR结构，和Integrating ADC相比，功耗更大。单相电能计量IC简单有功计量单相有功计量IC(ADE7755、BL6503、ATT7021）单相有功双通道计量IC（ADE7751、BL6501A、BL6502）单相有功双通道、断零检测计量IC（ADE7761、BL6504）内置晶振的计量 iC（ADE71056、BL0930、BL6502）多功能VRMS、IRMS、P、Q、S、PF、Freq正向P、Q、有功能量、无功能量反向P、Q、有功能量、无功能量数据接口SPIUART单总线I2C等等2022/

6、7/7belling - 9 -国网智能电表对计量IC的要求国网标准的新要求单相智能电能表技术规范4.4.1 计量功能 具有正向有功电能、反向有功电能计量功能，能存储其数据，并可以据此设置组合有功。 -正向、反向有功判断4.4.3 测量及监测 能测量、记录、显示当前电能表的电压、电流（包括零线电流）、功率、功率因数等运行参数。测量误差（引用误差）不超过1%。 -双电流、功率因数及有效值的功能要求2022/7/7belling - 11 -国网标准的新要求单相智能电能表技术规范4.7.3 负载电流升降变差 在功率因数1.0，负荷电流0.01IbImax变化范围内，同一只被试样品在相同负载点处的误

7、差变化的绝对值不应超过0.25% -宽量程的要求2022/7/7belling - 12 -对计量IC的要求有功功率需要区分正功、负功；有功能量也需要按正向有功能量、负向有功能量来进行累积；要能测量电压、火线电流、零线电流的有效值，功率因数，（视在功率，工频频率等）；计量IC的可测试范围需要加大；（以10倍表为例，10Ib0.01Ib测试范围，同时还需要考虑120%Un，120%Imax，整个测试范围需要1440：1）测量电参数的增加，如何对校表流程进行优化，以减少大生产时的调试时间2022/7/7belling - 13 -新一代计量IC的功能特点及架构BL6523A的特点高精度，在输入动态

8、工作范围（1500:1）内，非线性测量误差小于0.1%高稳定性，输出频率波动小于0.1%芯片可精确测量正负两个方向的有功功率，输出快速输出脉冲（CF）芯片有两个电流采样端，采样火线和零线电流芯片给出电压和双电流的有效值，可测量测量范围（1000:1）芯片具有电压失压和断相检测功能芯片上有电源电压监测电路，检测掉电状况芯片具有防潜动功能，可编程防潜阀值设置芯片具有可编程调整脉冲输出的频率芯片具有可编程增益调整和相位补偿芯片给出功率因子（PF）芯片可按需要给出中断请求信号（/IRQ）芯片具有一个SPI通信接口，用于数据传输芯片带参考电压源2.5V，也可使用外部2.5V电压芯片外接晶振3.58MHz

9、芯片单工作电源5V，低功耗25mW（典型值）2022/7/7belling - 15 -内部框图介绍2022/7/7belling - 16 -架构说明12022/7/7belling - 17 -架构说明22022/7/7belling - 18 -BL6523A典型应用图2022/7/7belling - 19 -数字输出管脚功能设置AT输出默认值描述0000AT0=FAULT、AT1=REVP、AT2=ZX、AT3=nSAG0001nSAG01指示产生线电压跌落中断0010ZXTO01指示产生过零超时中断0011ZX0指示产生电压波形符号位（过零）0100PKIA01指示电流A有效值峰值

10、超过IAPKLVL中断0101PKIB01指示电流B有效值峰值超过IBPKLVL中断0110PKV01指示电压有效值峰值超过VPKLVL中断0111REVP0指示有功功率计算发生符号变化（负功）1000APEHF01指示WATTHR寄存器23:0的第23位变为1（半满）1001VAPEHF01指示VAHR寄存器23:0的第23位变为1（半满）1010FAULT01指示电流AB两通道不平衡，差值大于设定值1011CHSEL00指示用电流A通道计量，1指示用电流B通道计量其余Reversed0保留2022/7/7belling - 20 -AT0AT3可选择的数字输出脚中断功能位置中断标志默认值描

11、述0SAG0指示产生线电压跌落中断1ZXTO0指示产生过零超时中断2ZX0指示产生电压波形符号位3PKIA0指示电流A有效值峰值超过IAPKLVL中断4PKIB0指示电流B有效值峰值超过IBPKLVL中断5PKV0指示电压有效值峰值超过VPKILVL中断6REVP0指示有功功率计算发生符号变化7APEHF0指示WATTHR寄存器23:0的第23位变为1（半满）8VAPEHF0指示VAHR寄存器23:0的第23位变为1（半满）9FAULT0指示电流AB两通道不平衡10CHSEL0指示计量用通道，0为电流A通道、1为电流B通道其余Reversed0保留2022/7/7belling - 21 -中

12、断状态寄存器（STATUS）、中断屏蔽寄存器（MASK）设计中需注意的问题2022/7/7belling - 23 -BL6523A校表流程2022/7/7belling - 24 -打开写保护寄存器3EH WRPROT 写保护寄存器3EH写入55H，允许写入整机参数设置 有功功率CF缩小比例 19H WA_CFDIV 通道增益设置 A通道增益设置 15H GAIN B通道增益设置 15H GAIN 电压通道增益设置 15H GAIN 有功防潜动阈值 17H WA_CREEP 反向指示阈值 18H WA_REVP 工作模式设置 14H MODE 计量通道选择 14H MODE0=0;A通道;M

13、ODE0=1;B通道； 是否开启高通滤波器 14H MODE4:2 能量累加模式选择 14H MODE9:8 电流不平衡阈值设定 14H 11:10BL6523A校表流程通道校准A通道有功校准PF=1.0 Ib时电流A通道增益调整 2EH IA_CHGNPF=0.5L Ib相位校准 1EH IA_PHCAL、20H V_PHCALPF=1.0 5%Ib有功偏置校准 1AH A_WATTOSB通道有功校准PF=1.0 Ib 时电流B通道增益调整 2FH IB_CHGNPF=0.5L Ib相位调整 1FH IB_PHCAL、20H VP_HCALPF=1.0 5%Ib有功功率偏置校准 1BH B_

14、WATTOS2022/7/7belling - 25 -BL6523A校表流程电流、电压有效值校准A通道加Ib电流，求出转换系数IkA=IARMS/Ib； 05H IARMSB通道加Ib电流，求出转换系数IkB=IBRMS/Ib；06H IBRMS电压为100%Un，求出转换系数Uk=VRMS/Un；07H VRMS有功功率校准、视在功率校准A通道加Ib电流，电压为100%Un，PF1，求出转换系数WATT_k=WATT/(Ib*Un)； 0AH WATTA通道加Ib电流，电压为100%Un，PF1，求出转换系数VA_k=VA/(Ib*Un)；0BH VA关闭写入写保护寄存器3EH写入00H（

15、除55H外的任何值），禁止写入2022/7/7belling - 26 -BL6523A特殊寄存器读出数据寄存器3BH记录上一次SPI读出的数据；可以用于验证SPI读操作是否出错写入数据寄存器3CH记录上一次SPI写入的数据；可以用于验证SPI写操作是否出错检验寄存器3DH对所有可写校表寄存器的数值求和；可用于验证校表寄存器是否工作正常写保护设置寄存器3EH写入55H时，表示允许对可写寄存器写操作；可防止校表寄存器写入错误值2022/7/7belling - 27 -BL6523 SPI通信SPI端口由/CS、SCLK、DIN、DOUT四根信号线组成/CS的下降沿使SPI端口复位，使BL652

16、3处于通信模式（在整个数据传送期间，/CS保持低电平。在数据传送期间使/CS变为高电平将停止数据传送，并使串行总线处于高阻状态）串行时钟（SCLK）由MCU产生，所有的数据传送操作均由SCLK进行同步在SCLK的上升沿从DIN数据管脚移入BL6523A在SCLK的下降沿 数据从DOUT数据管脚移出BL6523A2022/7/7belling - 28 -SPI写操作时序15H寄存器写入AAAH；写命令字节的最高两位为01代表写操作；数据字节3字节；32个SCLK；2022/7/7belling - 29 -SPI读操作时序读取15H寄存器；读命令字节的最高两位为00代表读操作；数据字节3字节；

17、32个SCLK；2022/7/7belling - 30 -SPI操作注意事项BL6523A上电后需要约400mS的复位时间，上电完成400mS后再操作SPI端口进行读写操作；在/CS片选信号拉低开始操作SPI端口之前，请确保SCLK、DIN为低电平；如采用光耦隔离SPI通信，需考虑光耦的转换速率；采用低速光耦时通信速率控制在9Kbps以下；SPI读写操作时所有的读写指令均为32Bit，命令字节（8Bit）+数据（24Bit）如寄存器数据位数不足24Bit，则前面补0；凑足24Bit。如果数据为补码形式，则在补码前填充0扩展到24位。数据高字节在前，低字节在后。2022/7/7belling

18、- 31 -设计举例应用方案设计举例设计参数：10（60A），电表常数为1600imp/KWh；BL6523A的电压、电流输入通道允许输入的最大信号为660mV峰峰值（即467mV rms），电压通道考虑需要满足130%Un的过压，以及信号冗余，可通过电阻匹配将220V AC电压降至280mV左右，作为电压通道输入；电流A通道考虑锰铜的发热，10（60A）表可采用200250微欧锰铜，假设采用250微欧锰铜，在Imax电流时，电流输入通道的采样信号为60A*250微欧15mV rms；根据电流通道的最大允许输入信号，电流A通道可采用16倍增益；电流B通道采用互感器1000：1；负载电阻4欧，电

19、流通道B采用1倍增益；电流A通道16倍增益，电流B通道1倍增益，电压通道1倍增益；增益寄存器15H（GAIN）写入00FH；2022/7/7belling - 33 -应用方案设计举例计算WA_CFNUM系数电表常数为1600imp/kWh；可知在Imax时对应的CF输出频率为(220*60*1600)/(3600*1000)=5.87Hz；此时电压通道输入信号为280mV rms，1倍增益；电流通道输入信号为15mV rms，16倍增益；对应到电流电压通道满幅信号输入时的CF输出频率为5.87*467*467/(280*15*16)=19.05Hz.2022/7/7belling - 34

20、-电流电压通道660mV峰峰值输入时WA_CFDIVCF频率（Hz）有功功率IA_RMSV_RMS001H1.95 650000056500005650000002H3.91 004H7.81 008H15.63 010H31.25 020H62.50 040H125.00 080H250.00 100H500.00 有功CF缩放比例寄存器19H（WA_CFDIV）可选择008H应用方案设计举例有功防潜动阈值设置如在Ib，Un情况下，有功功率寄存器0AH的值为249F0H（150000），要求0.4%Ib能正常启动，则可将防潜动阈值设为0.2%Ib对应的有功功率，即12CH（300）；有功防潜

21、动阈值寄存器设定值为300/(2*1.36)110（06EH）反向指示阈值设置如在Ib，Un情况下，有功功率寄存器0AH的值为249F0H（150000），要求大于0.4%Ib能指示反相，则可将反相指示阈值设为0.4%Ib对应的有功功率，即258H（600）；反相指示阈值寄存器设定值为600/（32*1.36)13（00DH）2022/7/7belling - 35 -有功功率校准有功误差调整在100%Un，标准电流Ib 1.0下测试，由校表台获得误差Err，如Err为负值，则WATTGN= 如Err为正值，则WATTGN= 2EH电流A通道增益调整寄存器 A_CHGN；2FH电流B通道增益调

22、整寄存器 B_CHGN；12位寄存器，补码形式，增益调整范围50%；2022/7/7belling - 36 -相位调整相位调整相位补偿的原理是将一个小的时间延时或超前引入信号处理电路以对小的相位误差进行补偿，相位校正寄存器为8位寄存器，D7为使能位，=1时开启相位补偿；=0时关闭相位补偿；D6D0 为延时或超前时间，2.2us/1LSB。相应的分辨率为360（1/450KHz）50Hz=0.04，最大可调5.08。在100%Un，标准电流Ib 0.5L下测试，测得误差Err， 寄存器值=（int（/0.04-1）&0 x80；int为取整操作；如果Err为正值，改动电流通道相位寄存器IAPH

23、CAL、IBPHCAL；如果Err为负值，改动电压通道相位寄存器VPHCAL；1EH 电流A相位校正寄存器 IA_PHCAL；1FH 电流B相位校正寄存器 IB_PHCAL；20H 电压相位校准寄存器 V_PHCAL；2022/7/7belling - 37 -小信号补偿调整小信号补偿调整小电流1.0情况下，如果小信号精度偏差较大，可通过调整有功功率偏置校准寄存器来修正小信号偏差。（补码），1AH A通道有功功率偏置校准寄存器 A_WATTOS，仅影响A通道有功功率测量；1BH B通道有功功率偏置校准寄存器 B_WATTOS，仅影响B通道有功功率测量；均为12位寄存器，补码形式，可调整范围+2

24、047 -2047；如小信号情况下，有功功率寄存器WATT（0AH）的数据为WATT_Data，有功功率误差为Err，则有功功率偏置校准寄存器的值为：int（WATT_Data*（-Err）/1.36）；（int为取整）举例如下：如在5%Ib信号点的有功功率误差为-0.45%，有功功率寄存器WATT（0AH）的数据为10000，则有功功率偏置校准寄存器的值为：10000*0.0045/1.36=33；2022/7/7belling - 38 -电流、电压物理量换算2022/7/7belling - 39 -线电压频率、功率因素2022/7/7belling - 40 -有功功率、视在功率202

25、2/7/7belling - 41 -硬件设计时的注意事项变压器的磁场泄露对锰铜输入信号的影响PCB板的地线布置对电磁干扰的防范很重要模拟输入信号的差分走线晶振的放置位置不要靠近PCB板的边沿2022/7/7belling - 42 -BL6523A样表2022/7/7belling - 43 -BL55070BL24C256BL6523ABL6523A样表测试数据2022/7/7belling - 44 -表号60A10A1A500mA200mA100mA1 0.8C10.5L0.8C10.5L0.8C10.5L0.8C10.5L110.054 0.060 0.087 0.032 0.030

26、 0.001 0.050 0.010 0.078 0.092 0.020 0.103 0.0790.1500.0640.080 0.082 0.050 0.031 0.023 0.070 0.012 0.0890.0840.005 0.120 0.0560.2000.0430.075 0.075 0.050 0.035 0.015 0.067 0.030 0.0850.0630.003 0.140 0.0350.1790.0360.053 0.069 0.043 0.045 0.017 0.054 0.015 0.0650.0490.012 0.106 0.0460.2100.0780.079

27、 0.065 0.043 0.030 0.008 0.037 0.020 0.0700.0830.015 0.154 0.0670.160表号60A10A1A500mA200mA100mA20.8C10.5L0.8C10.5L0.8C10.5L0.8C10.5L110.0230.030 0.014 0.015 0.001 0.042 0.042 0.020 0.062 0.060 0.015 0.134 0.0700.1800.0170.053 0.0260.025 0.015 0.030 0.038 0.014 0.0600.064 0.020 0.157 0.0430.1620.0270.

28、062 0.0200.023 0.012 0.032 0.035 0.010 0.0700.069 0.017 0.144 0.0460.1750.0310.049 0.020 0.021 0.020 0.026 0.043 0.015 0.0610.074 0.012 0.120 0.0570.1300.0500.062 0.0400.042 0.024 0.026 0.047 0.018 0.0590.078 0.017 0.139 0.0350.150上述电表使用250微欧的分流器，电表常数1600imp/KWh.贝岭IC在电表中的应用电表系统方框图2022/7/7belling - 4

29、6 -电流采样电压采样计量芯片电能计量模块PLC/I2C接口实时时钟 LCD驱动温度传感器EEPROMMCUMCU控制模块红外通信LCD计度器数码管载波通信RS485通信显示输出模块开关电源线性电源电压检测电源模块IC卡/RFID卡磁保持继电器继电器驱动IC卡读写器预付费电表专用模块电表中的贝岭芯片芯片类别芯片型号主要参数封装计量专用芯片Metering ASICBL0930单相有功计量芯片（内置晶振）SOP16BL0921单相有功双通道测量芯片（内置晶振）SOP16BL6502A单相有功双通道测量芯片（内置晶振）SSOP24BL6503单相有功计量芯片SSOP24BL6501A单相有功双通道

30、测量芯片SSOP24BL6533单相SOCLQFP64BL6513三相有功计量芯片SOP24BL6523A单相多功能计量芯片，具有双通道计量、有功计量、电压、电流有效值、功率因素、频率等检测功能SSOP24BL6525 NEW单相有功、视在功率及有效值计量芯片SOP16BL6519三相多功能计量芯片SOP242022/7/7belling - 47 -电表中的贝岭芯片芯片类别芯片型号主要参数封装液晶驱动（两线串行通信）LCD DriverBL550244X15共60段LCD驱动SOP24BL550284X19共76段LCD驱动SOP28BL550664X24共96段LCD驱动LQFP44BL5

31、50704X35共140段LCD驱动LQFP44BL550764X40共160段LCD驱动LQFP64BL550774X40共160段LCD驱动LQFP64BL550228*32共256段液晶驱动LQFP64（7*7）2022/7/7belling - 48 -电表中的贝岭芯片芯片类别芯片型号主要参数封装通讯芯片CommunicationBL3085A15KV ESD，标准RS-485接口，最大允许256路链接。SOP-8电源管理Power ManagerBL8506/BL8509电压检测器/复位ICSOT23-3/SOT23-5/SOT89-3继电器驱动Relay DriverBL8023A

32、耐压30V、最大驱动能力800mA的磁保持继电器驱动SOP/DIP8存储芯片EEPROMBL24Cxx2K至256K的两线串行通信EEPROM存储SOP8时钟芯片BL5373低功耗实时时钟芯片（RTC)）SOP8/TSSOP8逻辑加密卡BL7442/BL74482K/8K加密IC卡2022/7/7belling - 49 -贝岭计量IC的质量控制2022/7/7belling - 51 - R1以公司本身和用户的角度 R0主要验证设计 R1主要验证大生产设计功 能冗 余性能质 量可靠性 R0以产品本身和系统的角度R0时的样品要有一定数量,样品要随机抽样；R1时需要固定生产线,稳定工艺,三卡样品

33、。2022/7/7belling - 52 -R0认证项目 * 常温功能性能测试 * 高温功能性能测试 * 低温功能性能测试 * 电压拉偏测试 * 频率拉偏测试 * ESD和LATCH UP测试 * 在系统上应用(可选)2022/7/7belling - 53 -R1文件和样品 (1) 文件 * R0 Release Note * 生产试制总结报告 * 每一工程卡的分析报告 * 产品技术规范 * 产品封装规范 * 产品测试规范 * 产品使用说明书 (2) 样品 *三卡,每卡不少于100个,三卡总数不少于350个,卡合格率 不得低50% *可三卡同时进行,也可三卡分别认证(则每卡样品必须满足各种

34、测试需要)2022/7/7belling - 54 -测试名称抽样数判据常温全部电参数125O/I常温特性电参数分析6O/I高温全部电参数125O/I高温特性参数分析6O/I低温全部参数125O/I低温特性参数分析6O/I在一般情况下,全部电参数测试在大生产测试设备进行,特性参数分析可在基准测试设备上进行性能测试抽样数量：2022/7/7belling - 55 -可靠性认证项目：编号试验名称条 件抽样数判据A1外观检查800/1B1尺寸检查150/1C2极限工作温度(高低温)客户（合同）要求，或产品技术规范150/1C3引线强度委托第三方测试 F=5N, 全部引线150/1B4可焊性委托第三方测试 槽焊法 235C+/-5C, 2+/-0.5S150/1C4耐焊接热委托第三方测试 槽焊法260C 10”150/1C11标志耐久性委托第三方测试 按GB4590-84 4.3规定110/1C23抗溶性委托第三方测试 按GB4590-84 4.4规定110/1C24易燃性委托第三方测试 按GB4590-84 4.2规定110/1B5温度快速变化加速潮热0100C 10次,+ 55C RH95% 48hrs110/1B21高压蒸汽(PCT)121C ， RH100%