新一代智能電能表計量技術及采用計量芯片BL6523A的實現(xiàn)方案

1、新一代智能電能表計量技術及采用計量芯片BL6523A的實現(xiàn)方案,上海貝嶺股份有限公司 黃長江 H 2020年7月11日,內容提要,電能計量IC的發(fā)展 國網(wǎng)智能電表對計量IC的要求 新一代計量IC的功能特點及架構 設計中需注意的問題 設計舉例 貝嶺IC在電表中的應用 貝嶺計量IC的質量控制,2020/7/11,- 2 -,電能計量IC的發(fā)展,電能計量IC的發(fā)展,2020/7/11,- 4 -,電能計量IC技術概述,基于模擬信號處理的電能計量,2020/7/11,- 5 -,采用模擬乘法器(時分割乘法器、霍爾乘法器)對電壓和電流信號進行實時乘積運算得到瞬時功率信號，然后通過濾波器濾除2，3，。等諧

2、波分量得到平均功率，再經(jīng)電壓頻率轉換產生脈沖輸出，該方案的典型代表是BL093X系列IC,電能計量IC技術概述,基于數(shù)字信號處理的電能計量,2020/7/11,- 6 -,采用兩個完全獨立的A/D轉換器分別對電流和電壓通道進行實時采樣，然 后采用數(shù)字乘法器求出瞬時功率信號，再經(jīng)過LPF濾除高頻量化噪聲得到 瞬時實功率信號，由數(shù)字積分器對該功率信號積分變成能量信號，最后由 DTF轉換為脈沖輸出。,2020/7/11,- 7 -,ADC類型,2020/7/11,- 8 -,單相電能計量IC,簡單有功計量 單相有功計量IC(ADE7755、BL6503、ATT7021） 單相有功雙通道計量IC（AD

3、E7751、BL6501A、BL6502） 單相有功雙通道、斷零檢測計量IC（ADE7761、BL6504） 內置晶振的計量 iC（ADE71056、BL0930、BL6502）,多功能 VRMS、IRMS、P、Q、S、PF、Freq 正向P、Q、有功能量、無功能量 反向P、Q、有功能量、無功能量 數(shù)據(jù)接口 SPI UART 單總線 I2C 等等,2020/7/11,- 9 -,國網(wǎng)智能電表對計量IC的要求,國網(wǎng)標準的新要求,單相智能電能表技術規(guī)范 4.4.1 計量功能 具有正向有功電能、反向有功電能計量功能，能存儲其數(shù)據(jù)，并可以據(jù)此設置組合有功。 -正向、反向有功判斷 4.4.3 測量及監(jiān)測

4、 能測量、記錄、顯示當前電能表的電壓、電流（包括零線電流）、功率、功率因數(shù)等運行參數(shù)。測量誤差（引用誤差）不超過1%。 -雙電流、功率因數(shù)及有效值的功能要求,2020/7/11,- 11 -,國網(wǎng)標準的新要求,單相智能電能表技術規(guī)范 4.7.3 負載電流升降變差 在功率因數(shù)1.0，負荷電流0.01IbImax變化范圍內，同一只被試樣品在相同負載點處的誤差變化的絕對值不應超過0.25% -寬量程的要求,2020/7/11,- 12 -,對計量IC的要求,有功功率需要區(qū)分正功、負功；有功能量也需要按正向有功能量、負向有功能量來進行累積； 要能測量電壓、火線電流、零線電流的有效值，功率因數(shù)，（視在功

5、率，工頻頻率等）； 計量IC的可測試范圍需要加大；（以10倍表為例，10Ib0.01Ib測試范圍，同時還需要考慮120%Un，120%Imax，整個測試范圍需要1440：1） 測量電參數(shù)的增加，如何對校表流程進行優(yōu)化，以減少大生產時的調試時間,2020/7/11,- 13 -,新一代計量IC的功能特點及架構,BL6523A的特點,高精度，在輸入動態(tài)工作范圍（1500:1）內，非線性測量誤差小于0.1% 高穩(wěn)定性，輸出頻率波動小于0.1% 芯片可精確測量正負兩個方向的有功功率，輸出快速輸出脈沖（CF） 芯片有兩個電流采樣端，采樣火線和零線電流 芯片給出電壓和雙電流的有效值，可測量測量范圍（100

6、0:1） 芯片具有電壓失壓和斷相檢測功能 芯片上有電源電壓監(jiān)測電路，檢測掉電狀況 芯片具有防潛動功能，可編程防潛閥值設置 芯片具有可編程調整脈沖輸出的頻率 芯片具有可編程增益調整和相位補償 芯片給出功率因子（PF） 芯片可按需要給出中斷請求信號（/IRQ） 芯片具有一個SPI通信接口，用于數(shù)據(jù)傳輸 芯片帶參考電壓源2.5V，也可使用外部2.5V電壓 芯片外接晶振3.58MHz 芯片單工作電源5V，低功耗25mW（典型值）,2020/7/11,- 15 -,內部框圖介紹,2020/7/11,- 16 -,架構說明1,2020/7/11,- 17 -,架構說明2,2020/7/11,- 18 -,

7、BL6523A典型應用圖,2020/7/11,- 19 -,數(shù)字輸出管腳功能,2020/7/11,- 20 -,AT0AT3可選擇的數(shù)字輸出腳,中斷功能,2020/7/11,- 21 -,中斷狀態(tài)寄存器（STATUS）、中斷屏蔽寄存器（MASK）,設計中需注意的問題,2020/7/11,- 23 -,BL6523A校表流程,2020/7/11,- 24 -,打開寫保護寄存器3EH WRPROT 寫保護寄存器3EH寫入55H，允許寫入 整機參數(shù)設置 有功功率CF縮小比例 19H WA_CFDIV 通道增益設置 A通道增益設置 15H GAIN B通道增益設置 15H GAIN 電壓通道增益設置

8、15H GAIN 有功防潛動閾值 17H WA_CREEP 反向指示閾值 18H WA_REVP 工作模式設置 14H MODE 計量通道選擇 14H MODE0=0;A通道;MODE0=1;B通道； 是否開啟高通濾波器 14H MODE4:2 能量累加模式選擇 14H MODE9:8 電流不平衡閾值設定 14H 11:10,BL6523A校表流程,通道校準 A通道有功校準 PF=1.0 Ib時電流A通道增益調整 2EH IA_CHGN PF=0.5L Ib相位校準 1EH IA_PHCAL、20H V_PHCAL PF=1.0 5%Ib有功偏置校準 1AH A_WATTOS B通道有功校準

9、PF=1.0 Ib 時電流B通道增益調整 2FH IB_CHGN PF=0.5L Ib相位調整 1FH IB_PHCAL、20H VP_HCAL PF=1.0 5%Ib有功功率偏置校準 1BH B_WATTOS,2020/7/11,- 25 -,BL6523A校表流程,電流、電壓有效值校準 A通道加Ib電流，求出轉換系數(shù)IkA=IARMS/Ib； 05H IARMS B通道加Ib電流，求出轉換系數(shù)IkB=IBRMS/Ib；06H IBRMS 電壓為100%Un，求出轉換系數(shù)Uk=VRMS/Un；07H VRMS 有功功率校準、視在功率校準 A通道加Ib電流，電壓為100%Un，PF1，求出轉換

10、系數(shù)WATT_k=WATT/(Ib*Un)； 0AH WATT A通道加Ib電流，電壓為100%Un，PF1，求出轉換系數(shù)VA_k=VA/(Ib*Un)；0BH VA 關閉寫入 寫保護寄存器3EH寫入00H（除55H外的任何值），禁止寫入,2020/7/11,- 26 -,BL6523A特殊寄存器,讀出數(shù)據(jù)寄存器3BH 記錄上一次SPI讀出的數(shù)據(jù)；可以用于驗證SPI讀操作是否出錯 寫入數(shù)據(jù)寄存器3CH 記錄上一次SPI寫入的數(shù)據(jù)；可以用于驗證SPI寫操作是否出錯 檢驗寄存器3DH 對所有可寫校表寄存器的數(shù)值求和；可用于驗證校表寄存器是否工作正常 寫保護設置寄存器3EH 寫入55H時，表示允許對

11、可寫寄存器寫操作；可防止校表寄存器寫入錯誤值,2020/7/11,- 27 -,BL6523 SPI通信,SPI端口由/CS、SCLK、DIN、DOUT四根信號線組成 /CS的下降沿使SPI端口復位，使BL6523處于通信模式（在整個數(shù)據(jù)傳送期間，/CS保持低電平。在數(shù)據(jù)傳送期間使/CS變?yōu)楦唠娖綄⑼Ｖ箶?shù)據(jù)傳送，并使串行總線處于高阻狀態(tài)） 串行時鐘（SCLK）由MCU產生，所有的數(shù)據(jù)傳送操作均由SCLK進行同步 在SCLK的上升沿從DIN數(shù)據(jù)管腳移入BL6523A 在SCLK的下降沿 數(shù)據(jù)從DOUT數(shù)據(jù)管腳移出BL6523A,2020/7/11,- 28 -,SPI寫操作時序,15H寄存器寫入

12、AAAH；寫命令字節(jié)的最高兩位為01代表寫操作；數(shù)據(jù)字節(jié)3字節(jié)；32個SCLK；,2020/7/11,- 29 -,SPI讀操作時序,讀取15H寄存器；讀命令字節(jié)的最高兩位為00代表讀操作；數(shù)據(jù)字節(jié)3字節(jié)；32個SCLK；,2020/7/11,- 30 -,SPI操作注意事項,BL6523A上電后需要約400mS的復位時間，上電完成400mS后再操作SPI端口進行讀寫操作； 在/CS片選信號拉低開始操作SPI端口之前，請確保SCLK、DIN為低電平； 如采用光耦隔離SPI通信，需考慮光耦的轉換速率；采用低速光耦時通信速率控制在9Kbps以下； SPI讀寫操作時所有的讀寫指令均為32Bit，命令

13、字節(jié)（8Bit）+數(shù)據(jù)（24Bit）如寄存器數(shù)據(jù)位數(shù)不足24Bit，則前面補0；湊足24Bit。如果數(shù)據(jù)為補碼形式，則在補碼前填充0擴展到24位。數(shù)據(jù)高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。,2020/7/11,- 31 -,設計舉例,應用方案設計舉例,設計參數(shù)：10（60A），電表常數(shù)為1600imp/KWh； BL6523A的電壓、電流輸入通道允許輸入的最大信號為660mV峰峰值（即467mV rms）， 電壓通道考慮需要滿足130%Un的過壓，以及信號冗余，可通過電阻匹配將220V AC電壓降至280mV左右，作為電壓通道輸入； 電流A通道考慮錳銅的發(fā)熱，10（60A）表可采用200250微歐錳銅，假設

14、采用250微歐錳銅，在Imax電流時，電流輸入通道的采樣信號為60A*250微歐15mV rms；根據(jù)電流通道的最大允許輸入信號，電流A通道可采用16倍增益； 電流B通道采用互感器1000：1；負載電阻4歐，電流通道B采用1倍增益； 電流A通道16倍增益，電流B通道1倍增益，電壓通道1倍增益；增益寄存器15H（GAIN）寫入00FH；,2020/7/11,- 33 -,應用方案設計舉例,計算WA_CFNUM系數(shù) 電表常數(shù)為1600imp/kWh；可知在Imax時對應的CF輸出頻率為(220*60*1600)/(3600*1000)=5.87Hz；此時電壓通道輸入信號為280mV rms，1倍增

15、益；電流通道輸入信號為15mV rms，16倍增益；對應到電流電壓通道滿幅信號輸入時的CF輸出頻率為5.87*467*467/(280*15*16)=19.05Hz.,2020/7/11,- 34 -,有功CF縮放比例寄存器19H（WA_CFDIV）可選擇008H,應用方案設計舉例,有功防潛動閾值設置 如在Ib，Un情況下，有功功率寄存器0AH的值為249F0H（150000），要求0.4%Ib能正常啟動，則可將防潛動閾值設為0.2%Ib對應的有功功率，即12CH（300）；有功防潛動閾值寄存器設定值為300/(2*1.36)110（06EH） 反向指示閾值設置 如在Ib，Un情況下，有功功率

16、寄存器0AH的值為249F0H（150000），要求大于0.4%Ib能指示反相，則可將反相指示閾值設為0.4%Ib對應的有功功率，即258H（600）；反相指示閾值寄存器設定值為600/（32*1.36)13（00DH）,2020/7/11,- 35 -,有功功率校準,有功誤差調整 在100%Un，標準電流Ib 1.0下測試，由校表臺獲得誤差Err， 如Err為負值，則WATTGN= 如Err為正值，則WATTGN= 2EH電流A通道增益調整寄存器 A_CHGN； 2FH電流B通道增益調整寄存器 B_CHGN； 12位寄存器，補碼形式，增益調整范圍50%；,2020/7/11,- 36 -,相

17、位調整,相位調整 相位補償?shù)脑硎菍⒁粋€小的時間延時或超前引入信號處理電路以對小的相位誤差進行補償， 相位校正寄存器為8位寄存器，D7為使能位，=1時開啟相位補償；=0時關閉相位補償；D6D0 為延時或超前時間，2.2us/1LSB。相應的分辨率為360（1/450KHz）50Hz=0.04，最大可調5.08。 在100%Un，標準電流Ib 0.5L下測試，測得誤差Err， 寄存器值=（int（/0.04-1）&0 x80；int為取整操作； 如果Err為正值，改動電流通道相位寄存器IAPHCAL、IBPHCAL； 如果Err為負值，改動電壓通道相位寄存器VPHCAL； 1EH 電流A相位校正

18、寄存器 IA_PHCAL； 1FH 電流B相位校正寄存器 IB_PHCAL； 20H 電壓相位校準寄存器 V_PHCAL；,2020/7/11,- 37 -,小信號補償調整,小信號補償調整 小電流1.0情況下，如果小信號精度偏差較大，可通過調整有功功率偏置校準寄存器來修正小信號偏差。（補碼）， 1AH A通道有功功率偏置校準寄存器 A_WATTOS，僅影響A通道有功功率測量； 1BH B通道有功功率偏置校準寄存器 B_WATTOS，僅影響B(tài)通道有功功率測量； 均為12位寄存器，補碼形式，可調整范圍+2047 -2047； 如小信號情況下，有功功率寄存器WATT（0AH）的數(shù)據(jù)為WATT_Dat

19、a，有功功率誤差為Err，則有功功率偏置校準寄存器的值為：int（WATT_Data*（-Err）/1.36）；（int為取整） 舉例如下： 如在5%Ib信號點的有功功率誤差為-0.45%，有功功率寄存器WATT（0AH）的數(shù)據(jù)為10000，則有功功率偏置校準寄存器的值為：10000*0.0045/1.36=33；,2020/7/11,- 38 -,電流、電壓物理量換算,2020/7/11,- 39 -,線電壓頻率、功率因素,2020/7/11,- 40 -,有功功率、視在功率,2020/7/11,- 41 -,硬件設計時的注意事項,變壓器的磁場泄露對錳銅輸入信號的影響 PCB板的地線布置對電

20、磁干擾的防范很重要 模擬輸入信號的差分走線 晶振的放置位置不要靠近PCB板的邊沿,2020/7/11,- 42 -,BL6523A樣表,2020/7/11,- 43 -,BL55070,BL24C256,BL6523A,BL6523A樣表測試數(shù)據(jù),2020/7/11,- 44 -,上述電表使用250微歐的分流器，電表常數(shù)1600imp/KWh.,貝嶺IC在電表中的應用,電表系統(tǒng)方框圖,2020/7/11,- 46 -,電表中的貝嶺芯片,2020/7/11,- 47 -,電表中的貝嶺芯片,2020/7/11,- 48 -,電表中的貝嶺芯片,2020/7/11,- 49 -,貝嶺計量IC的質量控制

21、,2020/7/11,- 51 -,R1以公司本身和用戶的角度,R0時的樣品要有一定數(shù)量,樣品要隨機抽樣； R1時需要固定生產線,穩(wěn)定工藝,三卡樣品。,2020/7/11,- 52 -,R0認證項目 * 常溫功能性能測試 * 高溫功能性能測試 * 低溫功能性能測試 * 電壓拉偏測試 * 頻率拉偏測試 * ESD和LATCH UP測試 * 在系統(tǒng)上應用(可選),2020/7/11,- 53 -,R1文件和樣品 (1) 文件 * R0 Release Note * 生產試制總結報告 * 每一工程卡的分析報告 * 產品技術規(guī)范 * 產品封裝規(guī)范 * 產品測試規(guī)范 * 產品使用說明書 (2) 樣品 *三卡,每卡不少于100個,三卡總數(shù)不少于350個,卡合格率 不得低50% *可三卡同時進行,也可三卡分別認證(則每卡樣品必須滿足各種測試需要),2020/7/11,- 54 -,在一般情況下,全部電參數(shù)測試在大生產測試設備進行,特性參數(shù)分析可在基準測試設備上進行,性能測試抽樣數(shù)量：,2020/