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,上海贝岭股份有限公司 黄长江 H 2020年7月11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,2020/7/11,- 2 -,电能计量IC的发展,电能计量IC的发展,2020/7/11,- 4 -,电能计量IC技术概述,基于模拟信号处理的电能计量,2020/7/11,- 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

2、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,电能计量IC技术概述,基于数字信号处理的电能计量,2020/7/11,- 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。,2020/7/11,- 7 -,ADC类型,2020/7/11,- 8 -,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（AD

3、E7751、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 SPI UART 单总线 I2C 等等,2020/7/11,- 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

4、 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,2020/7/11,- 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差变化的绝对值不应超过0.25% -宽量程的要求,2020/7/11,- 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

5、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,2020/7/11,- 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（100

6、0:1） 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 芯片单工作电源5V，低功耗25mW（典型值）,2020/7/11,- 15 -,内部框图介绍,2020/7/11,- 16 -,架构说明1,2020/7/11,- 17 -,架构说明2,2020/7/11,- 18 -,

7、BL6523A典型应用图,2020/7/11,- 19 -,数字输出管脚功能,2020/7/11,- 20 -,AT0AT3可选择的数字输出脚,中断功能,2020/7/11,- 21 -,中断状态寄存器（STATUS）、中断屏蔽寄存器（MASK）,设计中需注意的问题,2020/7/11,- 23 -,BL6523A校表流程,2020/7/11,- 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

8、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;MODE0=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 11:10,BL6523A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_CHGN PF=0.5L Ib相位校准 1EH IA_PHCAL、20H V_PHCAL PF=1.0 5%Ib有功偏置校准 1AH A_WATTOS B通道有功校准

9、PF=1.0 Ib 时电流B通道增益调整 2FH IB_CHGN PF=0.5L Ib相位调整 1FH IB_PHCAL、20H VP_HCAL PF=1.0 5%Ib有功功率偏置校准 1BH B_WATTOS,2020/7/11,- 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 IARMS B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

10、系数WATT_k=WATT/(Ib*Un)； 0AH WATT A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（除55H外的任何值），禁止写入,2020/7/11,- 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

11、可写寄存器写操作；可防止校表寄存器写入错误值,2020/7/11,- 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BL6523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BL6523A,2020/7/11,- 28 -,SPI写操作时序,15H寄存器写入

12、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；,2020/7/11,- 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；32个SCLK；,2020/7/11,- 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

13、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。,2020/7/11,- 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

14、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；,2020/7/11,- 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

15、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.,2020/7/11,- 34 -,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

16、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）,2020/7/11,- 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通道增益调整寄存器 B_CHGN； 12位寄存器，补码形式，增益调整范围50%；,2020/7/11,- 36 -,相

17、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IAPHCAL、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

18、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；,2020/7/11,- 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+2047 -2047； 如小信号情况下，有功功率寄存器WATT（0AH）的数据为WATT_Dat

19、a，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；,2020/7/11,- 38 -,电流、电压物理量换算,2020/7/11,- 39 -,线电压频率、功率因素,2020/7/11,- 40 -,有功功率、视在功率,2020/7/11,- 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

20、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,2020/7/11,- 42 -,BL6523A样表,2020/7/11,- 43 -,BL55070,BL24C256,BL6523A,BL6523A样表测试数据,2020/7/11,- 44 -,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,2020/7/11,- 46 -,电表中的贝岭芯片,2020/7/11,- 47 -,电表中的贝岭芯片,2020/7/11,- 48 -,电表中的贝岭芯片,2020/7/11,- 49 -,贝岭计量IC的质量控制

21、,2020/7/11,- 51 -,R1以公司本身和用户的角度,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。,2020/7/11,- 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),2020/7/11,- 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测试需要),2020/7/11,- 54 -,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：,2020/