BL0930

BL0930 BL0930 特点 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% 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 慢速输出脉冲能直接驱动电机工作，快速输出 脉冲可用于计算机数据处理 防窃电功能，逻辑输出脚 REVP 用于显示反向 用电或者错误用电状况 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 型值 30ppm/℃） ，也可以使用外部电压源 芯片上带晶振时钟（芯片内置晶振） 单工作电源 5V 低功耗 15mW（典型值） 采用 0.35um CMOS 工艺，批量的一致性和产 品可靠性得到进一步提高。 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 概述 概述 BL0930 集成电路是电子式电度表的核心计量 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。 BL0930 对正、反向有功功率均可测量,且可将 反向有功功率转换成与正向有功功率方向一致的 脉冲输出 , 同时在芯片引脚 (Pin12)上给出了反向用 电指示。因此, 用 BL0930 制成的电子式电度表具 有很强的防窃电能力。 BL0930 具有两种不同频率的脉冲输出。Pin14 输出以较高频率的脉冲 ,用于校验和计算机数据处 理，而 Pin15 和 Pin16 输出一组较低频率的脉冲,用 于直接驱动步进电机，以推动计度器进行电量累 积。 在 BL0930 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。 管脚与框图 管脚与框图 VDD V2P V2N V1N V1P GND VREF SCF 1 16 F1 F2 CF NC VREF voltage reference internal oscillator high pass filter high pass filter VDD power detector 2 15 3 14 4 BL0930 13 V1P V1N V2P V2N current sampling analog to digital BL0930 digital multiplication low pass filter digital to frequency and output 5 12 REVP G S0 S1 voltage sampling analog to digital REVP CF F1 F2 6 11 7 10 logical control 8 9 SCF S1 S0 BL0930 系统框图 G DIP 16 http://www.belling.com.cn -1Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 管脚描述 管脚描述 管脚号 管脚号 1 2,3 4,5 6 7 8 9,10 11 12 13 14 15,16 符号 符号 VDD V2P,V2N V1N,V1P GND VREF SCF S1,S0 G REVP NC CF F2, F1 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 说明 说明 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。 电压采样信号的负,正输入脚。最大差分输入电压为±165mV。 电流采样信号的正,负输入脚。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。 高频校验脉冲选择端，与 S1,S0 组合起来选择 CF 的输出频率，见后面。 通过 S1,S0 的组合可以针对不同的电表常数选择不同的输出频率，为电 表设计提供更大的选择范围。 用来选择电流通道的系统增益，增益选择具体数值见后面 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。 空脚 高速校验脉冲输出脚，输出频率正比与瞬时有功功率的大小，可以有多 种选择。 低速逻辑输出脚，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 BL0930 计算公式。 极限范围 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（DIP16） 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 电参数 1) 常温电特性 (T=25℃, VDD= 5V ) 测量项目 1 电源电流 输入高电平 输入低电平 http://www.belling.com.cn 符号 IVDD VIH VIL 测量条件 VDD=5V 测量点 Pin1 最小 0.5 2 典型 4 最大 5 1 单位 mA V V -2Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 输入电容 2 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 输出电流 5 基准参考电压 温度系数 6 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 7 精度 两个通道相位误差 电流超前 37° (PF=0.8 容性) 电流滞后 60° (PF=0.5 感性) 8 防潜阈值 Ib=5A C=1400, ENP Vv=±110mV, V(I)=2mV, cosϕ=1 Vv=±110mV, V(I)=2mV, cosϕ=-1 10 电源监控电路检 测电平(掉电检测电 平) Vdown 电源从 3.5V~5V 变 化， 电流电压 通道满幅输 入 Pin14 Pin14 Pin14 Pin14 VAIN Pin5,4, 3,2 VOH2 VOL2 IO2 Vref VDD=5V Pin7 IH=10mA IL=10mA VOH1 VOL1 IO1 Pin14,12 IH=10mA IL=10mA CIN Pin15,16 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 10 pF 4.4 0.5 10 V V mA 4.4 0.5 10 2.3 2.5 30 2.7 V V MA V ppm/°C ±1 330 6 10 V Kohm pF 0.1 0.1 0.0015 0.003 度(°) 度(°) % 9 负向有功功率测 量误差% Pin14 0.1 % 3.9 4 4.1 V http://www.belling.com.cn -3Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 指标说明 1)非线性误差% BL0930 的电压通道输入固定 Pin3,pin2 之间交流电压 Vv 为 110mV,功率因数 cosϕ=1,Pin5 与 Pin4 之间电压 Vi 在对应与 5%Ib~800%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)*cosϕ的符号, 大于零为正功,小于零为负功。 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，BL0930 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。 时序特性 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~+75°C） 参数 参数 t1 数值 数值 144ms 说明 说明 F1 和 F2 的低电平脉宽，在低功率时，F1，F2 输出定脉宽， 为 144ms。 当计量大功率时， ， 输出周期小于 550ms 时， F1 F2 F1，F2 的脉宽为周期的一半。 F1，F2 输出低速脉冲周期，见 BL0930 计算公式。 t2 周期的一半 71ms F1 下降沿到 F2 下降沿之间的时间。 高速输出脉冲 CF 的高电平脉宽，在计量小功率时，CF 定脉 宽为 71ms。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。 当 SCF=0，S1=S0=1 的高频模式时，CF 的脉宽为 20us。 CF 输出高速脉冲频率，见 CF 与 F1，F2 之间关系及 BL0930 计算公式。 CLK/4 F1，F2 之间的最小时间间隔。 t2 t3 t4 t5 t6 http://www.belling.com.cn -4Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 注意：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 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 + Φ ) 令 Φ =0 时: p (t ) = 令 Φ ≠ 0 时: VI (1 + cos(2 wt ) 2 p (t ) = V cos( wt ) × I cos( wt + Φ ) = V cos( wt ) × [I cos( wt ) cos(Φ) + sin( wt ) sin(Φ )] VI (1 + cos(2 wt )) cos(Φ ) + VI cos( wt ) sin( wt ) sin(Φ) 2 VI VI = (1 + cos(2 wt )) cos(Φ ) + sin(2 wt ) sin(Φ) 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。 电能计量信号流 http://www.belling.com.cn -5Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 I 电电 采采 电电 采采 模-模 转转 模-模 转转 高高 滤滤 模数 乘乘乘 低高 滤滤 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 模数频频 转转 CF F1 F2 积积 V 高高 滤滤 瞬瞬瞬频瞬瞬p(t) 瞬瞬瞬瞬频瞬瞬 V*I V*I 2 t p(t)=i(t)*v(t) 其其 v(t)=V*cos(wt) i(t)=I*cos(wt) p(t)= V*I 2 {1+cos(2wt)} V*I 2 t 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 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。 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（ Φ =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 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 http://www.belling.com.cn -6Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 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±165mV，共模电压 100mV。然而，共模电压为 0V 时效 果最好。 V1 +165mV V2P + - 最大输入差分电压为±165mV V1 V2N V2 V2 最大输入共模电压100mV -165mV 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 + - ±165mV AGND V2N 火线 零线 Ra AGND AGND CF Rb AGND AGND Rv ±165mV V2P 火线 零线 AGND RF V2N CF AGND AGND + - 其中 Ra >> RF Rb+Rv=RF http://www.belling.com.cn -7Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 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。 工作方式 工作方式 芯片工作计算公式 BL0930 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 功率信息转换成频率。以低电平有效的方式从 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 = 22.4 × V (V ) × V ( I ) × FZ × gain 2 VREF Freq——引脚 F1，F2 输出脉冲频率 V(V)——电压通道的输入电压的有效值 V(I)——电流通道的输入电压有效值 Vref——基准电压（2.5±8%） Fz——由主时钟分频获得，分频系数由 S0 和 S1 确定 Gain----电流通道的系统增益，由 G 的逻辑输入决定 S1 0 0 1 1 S0 0 1 0 1 Fz(Hz) 1.7 3.4 6.8 13.6 分频关系 CLKIN/2^21 CLKIN/2^20 CLKIN/2^19 CLKIN/2^18 工作模式选择 Pin8（SCF） Pin9（S1） Pin10（S0）是 BL0930 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，Pin14（CF） Pin16（F1） Pin15（F2）的输出频率与 ， ， Pin8（SCF） Pin9（S1） Pin10（S0）输入脚关系如下表所示： ， ， 模式 1 2 3 4 5 6 7 8 SCF 1 0 1 0 1 0 1 0 S1 0 0 0 0 1 1 1 1 S0 0 0 1 1 0 0 1 1 CF 对 F1,F2 的频率比 128 64 64 32 32 16 16 2048 http://www.belling.com.cn -8Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 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 输入及输出范围 电流通道允许最大输入差分电压为±660mV，共模电压 100mV。 电压通道允许最大输入差分电压为±165mV，共模电压 100mV。 对应允许 CF，F1，F2 最高输出频率： SCF S1 S0 Fz F1,F2 最高输出 频率(Hz) 直流 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1.7 1.7 3.4 3.4 6.8 6.8 13.6 13.6 0.72 0.72 1.44 1.44 2.88 2.88 5.76 5.76 交流 0.36 0.36 0.72 0.72 1.44 1.44 2.88 2.88 CF 最高输出频率(Hz) 直流 128×F1,F2=92.16 64×F1,F2=46.08 64×F1,F2=92.16 32×F1,F2=46.08 32×F1,F2=92.16 16×F1,F2=46.08 16×F1,F2=92.16 2048×F1,F2=11.8K 交流 128×F1,F2=46.08 64×F1,F2=23.04 64×F1,F2=46.08 32×F1,F2=23.04 32×F1,F2=46.08 16×F1,F2=23.04 16×F1,F2=46.08 2048×F1,F2=5.9K 封装尺寸 封装尺寸 1、DIP16 http://www.belling.com.cn -9Total 10 Pages 8/14/2006 BL0930 BL0930 2、 SOP16 内置晶振单相电能计量芯片 内置晶振单相电能计量芯片 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。 http://www.belling.com.cn - 10 Total 10 Pages 8/14/2006