BL0962

BL0962 BL0962 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% 输入信号频率变化(45Hz~65Hz)引起的测量误 差小于 0.1% 采用独创的 SLiM 低功耗设计技术。单电源工 作（5V） ，静态功耗 35mW（典型值） （外部采用 ， 3.56MHz 晶振） 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。给出各 相校验脉冲 CFA，CFB，CFC。 具有高频分相和合相脉冲输出模式，分相脉冲 CFA,CFB,CFC 的满载输出频率高达 5KHz。 （在 MCF=1,SCF=0,S0=0,S1=1 的工作模式下） 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 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。 逻辑输出脚 REVA，REVPB， REVPC 用于分别显 示各相的反向用电或者错误用电状况。 三相代数和反向指示 REVPR，在功率代数和相 加值为负时给出反相指示。 （此时 ADD_SEL=1） 芯片上有电压检测电路，检测掉电状况 具有防潜动功能 具有 16 种工作模式（其中一个为高频模式） 芯片上带参考电压源 2.42V±8%（温度系数典 型值 30ppm/℃） ，也可以使用外部电压源 采用 QFP44 封装形式 采用 0.35um 数模混合 CMOS 工艺，可靠性好， 工作寿命大于 20 年 ® 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 概述 概述 BL0962 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，外部采用 （1.8MHz~3.56MHz 的晶体振荡器） ，芯片静态功耗 35mW（典型值） 。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。 BL0962 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，F1 和 F2 输出较低频率的脉冲用 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。BL0962 给出各相的校验频率输出 脚 CFA， CFB，CFC，可以用于各相工作显示。提供 各相反相用电指示 REVPA，REVPB，REVPC，可用于 防窃电。并具有 16 种可供选择的工作模式，用于 更广泛的电表方案的设计。 给出一个高速频率输出模式，该模式下分相频 率输出最高可达到 5KHz，可用于数字校表应用。 给出真实功率和的反向指示 REVPR，当功率代 数和为负时指示。 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。这就保证了输入信号在 45Hz~65Hz 范围内的频率变化对增益基本没有影 响。 BL0962 着重考虑了校表过程中读数误差的稳 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%） 。 注： 相关专利申请中。 框图 框图 http://www.belling.com.cn -1Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 管脚描述 管脚描述 管脚号 管脚号 1 2 3 4 5,6； 7,8； 9,10 11,13,15,16, 18,20,22,23, 34,44 12 14 17 符号 DGND DVDD REVP AVDD IAP,IAN; IBP,IBN; ICP,ICN NC 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 说明 内部数字电路接地点 正电源（+5V）,提供数字部分电源，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。 正电源（+5V） ，提供模拟部分电源，正常工作时电源电压应该 保持在+4.75V~5.25V 之间。 三相电流采样信号的正,负输入脚。最大差分输入电压为 ±500mV。 空脚（保留） /RESET AGND VREF 复位引脚，低电平有效。 内部模拟电路的接地点。 参考电压调整端，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， S1,S0,MCF 组合起来选择 CF 和 HCF 的 与 输出频率。 外部时钟引入或与 CLKOUT 之间接晶振 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输出频 率，为电表设计提供更大的选择范围。 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 BL0962 计算公式。 真实功率和反向指示。当各相功率和 PA+PB+PC>0 时，反向指示 为 1。注：只有在代数和相加时有效。 通过与 S1,S0,SCF 的组合可以针对不同的电表常数选择不同的 工作模式。 高速校验脉冲输出脚，输出频率正比与 C 相瞬时有功功率的大 小，可以有多种选择。 高速校验脉冲输出脚，输出频率正比与 B 相瞬时有功功率的大 小，可以有多种选择。 -2Total 16 Pages 8/9/2006 19，21，24， 25 26 27 28 29 30,31 32,33 VN,VCP VBP,VAP ADD_SEL SCF CLKIN CLKOUT S0,S1 F1,F2 35 36 37 38 REVPR MCF CFC CFB http://www.belling.com.cn BL0962 BL0962 39 40 41 42 43 CFA REVPC REVPB REVPA CF 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 高速校验脉冲输出脚，输出频率正比与 A 相瞬时有功功率的大 小，可以有多种选择。 C 相负向功率指示信号，当该相有负功时，该脚输出高电平。 B 相负向功率指示信号，当该相有负功时，该脚输出高电平。 A 相负向功率指示信号，当该相有负功时，该脚输出高电平。 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。 封装尺寸 封装尺寸 极限参数 极限参数 ( T = 25 ℃ ) 项目 模拟电源电压 AVDD 数字电源电压 DVDD DVDD 相对 AVDD 输入电压(相对于 AGND) 输入电压(相对于 AGND) 工作温度 贮藏温度 功耗（DIP24） Vv Vi Topr Tstr 符号 AVDD DVDD 极值 -0.3~+5.3(max) -0.3~+5.3(max) -0.3~+0.3 VSS+0.5≤Vv≤VDD-0.5 VSS+0.5≤Vi≤VDD-0.5 -40~+85 -55~+150 400 单位 V V V V V ℃ ℃ mW 常温电参数 常温电参数 常温电特性 测量项目 1 电源电流 2 逻辑输入脚 http://www.belling.com.cn (T=25℃, VDD=5V, CLKIN=3.58MHz 符号 IVDD 测量条件 ) 测量点 Pin2 Pin27, 最小 典型 7 最大 单位 mA -3Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 ADDSEL ， S0,S1,MCF SCF, VIH VIL CIN Pin32,3 3 VOH1 VOL1 IO1 Pin3, 35,37, 38,39, 40,41, 42,43 VOH2 VOL2 IO2 Vref AVDD=5V Pin17 Pin5,6, 7,8,9, 10,19, 21,24, 25 VAIN IH=10mA IL=10mA IH=10mA IL=10mA AVDD=5V DVDD=5V 26,30, 31,36 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 REVP,REVPR, CFC,CFB,CFA, REVPC,REVPB, REVPA,CF 输出高电平 输出低电平 输出电流 6 基准参考电压 温度系数 7 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 8 精度 电 流通道的非线性 测量误差。 CFC,CFB,CFC,CF 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) 9 启动电流 ISTART Ib=5A C=100, cosϕ=1 Pin37,3 8,39,43 Pin37,3 8,39,43 Pin5,6, 7,8,9, 20 电压通道输 入±500mV 动态范围 500:1 Pin37, 38,39, 43 Voff 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 3 1 10 V V pF 4.4 0.5 10 V V mA 4.4 0.5 10 2.3 30 2.5 30 2.7 60 V V mA V ppm/°C ±500 330 6 ±15 0.1 0.3 10 mV Kohm pF mV % 0.1 0.1 0.2%I b 0.3 0.3 % % A http://www.belling.com.cn -4Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 电压通道 ±110mV 10 正、负向有功功 率误差% ENP Vv=±110mV,V (I)=2mV, cosϕ=1 Vv=±110mV,V (I)=2mV, cosϕ=-1 Pin43 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 0.3 % 11 增益误差 12 电源监控电路检 测电平(掉电检测 电平） Gain error Vdown 电源从 3.5V~5V 变 化， 电流电压 通道满幅输 入 Pin43 3.9 ±5 4 ±7 4.1 % V 指标说明 1)非线性误差% BL0962 的三个电压通道输入固定,交流电压 V(V)为±150mV,功率因数 cosϕ=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=100，基本电流 Ib=5A、cosϕ=1、V(V)=±110mV、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。 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，BL0962 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)*cosϕ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。 http://www.belling.com.cn -5Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 当电源电压超过该值时，电路恢复工作在正常状态。 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 时序特性 时序特性 （AVDD=DVDD=5V，AGND=DGND=0V，使用片内基准电压源，CLKIN=3.58MHz，温度-40~+85°C） 1) CF 与 F1,F2 的时序 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) 的脉宽为周期的 1/4。 F1,F2 输出低速脉冲周期，见 BL0962 计算公式 t2 周期的一半 90ms 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 CF 90ms。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 BL0962 计算 公式 CLKIN/4 F1,F2 之间的最小时间间隔 t2 t3 t4 t5 t6 注：在高频工作模式下（MCF=1,SCF=0,S0=0,S1=1） ，F1,F2 不推荐使用。 2）CF 与 CFA, CFB, CFC 的时序关系 http://www.belling.com.cn -6Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 正常情况下，由于合相功率是各单相的三倍，CF 的频率是 CFA,CFB,CFC 的三倍。 只有两相工作时，CF 频率为各工作相的两倍。 只有单相工作时，CF 与单相频率一样。 3) 高频输出模式 当 MCF=1,SCF=0,S0=0,S1=1 时，BL0962 处于高频输出模式。 CFA,CFB,CFC 分别输出代表各相功率的高速频率脉冲，CF 输出合相的高速频率脉冲。 注：此工作模式下 BL0962 配合 MCU 实现数字校表，F1,F2 不使用。 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，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 ) 令 Φ =0 时: U I p (t ) = max max [1+ cos(2ω t )] 2 令 Φ ≠ 0 时: p (t ) = U max cos(ω t ) × I max cos(ω t + Φ ) =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 max I max U max I max = cos(Φ )+ [cos(2ωt )cos(Φ )+sin(2ωt )sin(Φ )] 2 2 U I U I = max max cos(Φ ) + max max 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)。 http://www.belling.com.cn -7Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 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 电能计量信号流（局部） BL0962 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， http://www.belling.com.cn -8Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 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。 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。0962 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 0962 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。 http://www.belling.com.cn -9Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 电流通道输入 从电流互感器输出的电压作为满刻度差分电压，直接连接到 BL0962 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±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 IAN 火火 零火 AGND AGND 例：对于 1000:1 的互感器，如果 Ib=5A，那经过互感器后为 5mA，选取 Rb=10 欧姆， 对应输入有效值 50mV，如果输入为 30A 时。相应输入有效值为 300mV。 注意：电流通道实际可输入最大差分信号为±840mV 左右，为了有一定的过载保护，其 60%（~±500mV）为规范保证的差分输入信号范围。 电压通道 线电压经互感器输出或电阻分压网络连接到 BL0962 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±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。 PT RF VAP CF + - ±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 http://www.belling.com.cn - 10 Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 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。 BL0962 的制造工艺可以保证片与片的补偿值一致。 电源监视 BL0962 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% ， BL0962 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。 下图显示了输出频率 CF 的计算过程： 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。 http://www.belling.com.cn - 11 Total 16 Pages 8/9/2006 BL0962 BL0962 选择三相有功电能的叠加模式 带分相输出的三相计量芯片 带分相输出的三相计量芯片 BL0962 可以将三相有功电能直接以代数方式相加，即 可以按绝对值相加方式来进行，即 Wh = WhφA + WhφB + WhφC ；也 Wh = WhφA + WhφB + WhφC 。方式的选择通过设置 ADDSEL 管脚来完成，该管脚的高电平和低电平分别对应于代数相加模式和绝对值相加模 式。 选择绝对值相加的模式时，在计算总的有功电能中，每相的有功能量都被认为为正。这 种模式在三相四线连接方式下尤其有用，因为此情况下，有功功率的符号总是不变的。若电 表连接错误， 如一相上电流互感器的方向接错， 则总的有功能量就会变成正常状况下的三分 之一，因为其中两相互相抵消了。当然，在这种模式下，反相检测输出会指示接线的错误。 反相指示 REVP, REVPA, REVPB, REVPC, REVPR REVPA, REVPB, REVPC 分别指示各相的反相用电情况。 REVP 为合相反相指示，只要有一相反相就指示。 REVPR 为真 正 的功 率和反 相 指 示， 在 代数 和相加 的 模 式下 （ ADD_SEL=1 ） 当 ， PA+PB+PC