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12 Pages 三相有功功率 计量芯片 ? 特点 ? 高精度,在输入动态工作范围(3000:1)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% ? 单电源工作 (5V) , 静态功耗 25mW (典型值) , 可以采用阻容分压电源方案供电 ? 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 ? 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(F

1、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 ? 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 ? 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 2.42V±8% ? 采用 SOP24 封装形式 注: 相关专利申请中. ? 概述 BL6513C 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,芯片静态功耗 25mW (典型值) ,因此可以采用三相阻容分压电源,大 大降低了生产成本.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. BL6513C 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. 片内电源检测电路可以进行掉电检测,当电源 低于 4V 时,将关闭 CF、F

1、F2 的输出. 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. 片内防潜动逻辑可以保证无潜动. BL6513C 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%) . ? 系统框图 BL6513C http://www.belling.com.cn -

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12 Pages 三相有功功率 计量芯片 ? 管脚描述 管脚号 符号 说明

1 CF 高速校验脉冲输出脚,输出频率正比与平均有功功率的大小,可以 有多种选择.

2 DGND 内部数字电路接地点.

3 VDD 正电源(+5V) ,提供模拟和数字部分电源,正常工作时电源电压应 该保持在+4.75V~+5.25V 之间.

4 REVP 负向有功功率指示信号,每一相单独检测,任一相的电流通道和电 压通道输入信号的相位差大于 90?时,该脚输出高电平. 5, 6;

7, 8;

9,

10 IAP, IAN;

IBP, IBN;

ICP, ICN 三相电流采样信号的正,负输入脚.最大差分输入电压为?660mV.

11 AGND 内部模拟电路的接地点.

12 REF 参考电压输出/输入端,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. 13, 14, 15,

16 VN, VCP VBP, VAP 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?660mV.

17 ADDSEL 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.

18 SCF 高频校验脉冲选择端,与S1,S0 组合起来选择 CF 的输出频率.

19 CLKIN 外部时钟引入或与 CLKOUT 之间接晶振,3.58MHz

20 CLKOUT 时钟驱动脚或与 CLKIN 之间接晶振 21,

22 S0, S1 通过 S1,S0 的组合可以针对不同的电表常数选择不同的工作模式, 为 电表设计提供更大的选择范围. 23,

24 F1, F2 低速校验脉冲输出脚, 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 见芯片计算公式. BL6513C http://www.belling.com.cn -

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12 Pages 三相有功功率 计量芯片 ? 封装尺寸 ? 极限参数 ( T = 25℃ ) 项目 符号 极值 单位 电源电压 VDD VDD -0.3~+7 V 电压通道输入电压(相对于 AGND) Vv -VDD +0.5≤Vv≤VDD-0.5 V 电流通道输入电压(相对于 AGND) Vi -VDD +0.5≤Vi≤VDD-0.5 V 工作温度 Topr -40~+85 ℃ 贮藏温度 Tstr -55~+150 ℃ 功耗(SOP24)

80 mW ? 常温电参数 (T=25℃, VDD = 5V,CLKIN=3.58MHz) 测量项目 符号 测量条件 测量点 最小 典型 最大 单位

1 电源电流 IVDD Pin3

8 mA

2 逻辑输入脚 SCF, S0, S1, ADDSEL Pin17, 18, 21, 22, 输入高电平 VIH VDD=5V

3 V 输入低电平 VIL

1 V 输入电容 CIN

10 pF

3 逻辑输出脚 F1, F2 Pin23,

24 输出高电平 VOH1 IH=10mA 4.4 V 输出低电平 VOL1 IL=10mA 0.5 V 输出电流 IO1

10 mA

4 逻辑输出脚 CF, REVP Pin1,

4 输出高电平 VOH2 IH=10mA 4.4 V 输出低电平 VOL2 IL=10mA 0.5 V BL6513C http://www.belling.com.cn -

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12 Pages 三相有功功率 计量芯片 输出电流 IO2

5 mA

5 基准参考电压 Vref VDD=5V Pin12 2.42 V 温度系数

30 ppm/?C

6 模拟输入脚 IAP, IAN, IBP, IBN, ICP, ICN, VN,VCP, VBP, VAP Pin5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15,

16 最大输入电平 VAIN ?660 mVpp 直流输入阻抗

330 Kohm 输入电容

6 10 pF ADC offset Voff ?15 mV

7 精度 电流通道的非线性 测量误差 电压通道输入 ?500mV rms;

动态范围 500:1 Pin1 0.1 % 两个通道相位误差 电流超前 37?C (PF=0.8 容性) Pin1 0.1 Degrees 电流滞后 60?C (PF=0.5 感性) Pin1 0.1 Degrees

8 启动电流 ISTART Ib=5A, cos?=1, 电压 通道 110mV rms Pin5, 6, 7, 8, 9,

10 0.2% Ib A

9 正、负向有功功率误 差% ENP Vv=110mV rms, Vi=50mV rms, cos?=±1 Pin1 0.1 %

10 增益误差 Gain error Pin1 ?5 ?9 %

11 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

4 V ? 指标说明 1)非线性误差% BL6513C 的三个电压通道输入固定,交流电压 V(V)为?110mV,功率因数 cos?=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=800,基本电流 Ib=5A、cos?=

1、V(V)=?110mV rms、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. BL6513C http://www.belling.com.cn -

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12 Pages 三相有功功率 计量芯片 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,BL6513C 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)*cos?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. 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 (VDD =5V, AGND=DGND=0V, 使用片内基准电压源, CLKIN=3.58MHz, 温度-40~+85?C) 参数 数值 说明 t1 145ms F1 和F2 的高电平脉宽,在低功率时,F

1、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F1 和F2 综合周期的一半. t2 F1,F2 输出低速脉冲周期,见BL6513C 计算公式 t3 t2 周期的一半 F1 上升沿到 F2 上升沿之间的时间 t4 90ms 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 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. t5 CF 输出高速脉冲频率, 见CF 与F1,F2 之间关系及 BL6513C 计算公式 t6 CLKIN/4 F1,F2 之间的最小时间间隔 ? 工作原理 ? 电能计量原理 BL6513C http://www.belling.com.cn -

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12 Pages 三相有功功率 计量芯片 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: 令=0 时: 令0时: 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. 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). 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: 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: ? 电能计量信号流(局部) BL6513C http://www.belling.com.cn -

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12 Pages 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 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, 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( =0 度) 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 BL6513C http://www.belling.com.cn -

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12 Pages 三相有功功率 计量芯片 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.BL6513C 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 BL6513C........