三相有功功率 计量芯片 BL6513C 概述 特点 高精度，在输入动态工作范围（3000:1）内， BL6513C 集成电路是三相电子电度表的核心 非线性测量误差小于 0.1% 计量芯片，采用低功耗设计，芯片静态功耗 25mW 校表过程中高稳定性，输出频率波动小于 0.1% （典型值），因此可以采用三相阻容分压电源，大 输入信号频率变化(45Hz~65Hz)引起的测量误 大降低了生产成本。基于此芯片设计的三相电子电 差小于 0.1% 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。 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 BL6513C 是基于数字信号处理的电能计量芯 可以选择代数求和或绝对值求和两种方式来 片,有测量正向和负向有功功率的功能。它可以通过 计量三相平均功率和 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 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 和计算机数据处理，F1 和 F2 输出较低频率的脉冲 慢速输出脉冲（F1、F2）能直接驱动电机工作 用于驱动脉冲电机，间接驱动机械字轮计度器计算 快速输出脉冲(CF)可用于计算机数据处理 功率，记录用电量。 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 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、F1、F2 的输出。 芯片上有电压检测电路，检测掉电状况 具有防潜动功能 号在乘法器前的相位匹配。这保证了输入信号在 芯片上带参考电压源 2.42V±8% 45Hz~65Hz 范围内的频率变化对增益基本没有影 采用 SOP24 封装形式 响。 片内电路结构完全保证电压和电流通道的信 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 注： 相关专利申请中。 号有极强的稳定度（CF 的波动小于 0.1%） 。 系统框图 http://www.belling.com.cn -1Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 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 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 12 REF 参考电压输出/输入端，片内基准电压标称值 2.428%，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 19 CLKIN 20 CLKOUT 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。 http://www.belling.com.cn 内部数字电路接地点。 内部模拟电路的接地点。 高频校验脉冲选择端，与 S1,S0 组合起来选择 CF 的输出频率。 外部时钟引入或与 CLKOUT 之间接晶振，3.58MHz 时钟驱动脚或与 CLKIN 之间接晶振 -2Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 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 ℃ 80 mW 功耗（SOP24） 常温电参数 （T=25℃, VDD = 5V，CLKIN=3.58MHz） 测量项目 1 电源电流 符号 测量条件 测量点 IVDD 最小 典型 Pin3 2 逻辑输入脚 SCF, S0, S1, ADDSEL 最大 单位 8 mA Pin17, 18, 21, 22, 输入高电平 VIH 输入低电平 VIL 输入电容 CIN VDD=5V 3 V 1 10 3 逻辑输出脚 F1, F2 输出高电平 VOH1 IH=10mA 输出低电平 VOL1 IL=10mA V pF Pin23, 24 输出电流 4.4 V 0.5 IO1 10 4 逻辑输出脚 CF, REVP V mA Pin1, 4 输出高电平 VOH2 IH=10mA 输出低电平 VOL2 IL=10mA http://www.belling.com.cn -3Total 12 Pages 4.4 V 0.5 V V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 输出电流 5 基准参考电压 IO2 Vref VDD=5V Pin12 温度系数 6 模拟输入脚 IAP, IAN, IBP, IBN, ICP, ICN, VN,VCP, VBP, VAP 最大输入电平 5 mA 2.42 V 30 ppm/C 660 330 mVpp Pin5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 16 VAIN 直流输入阻抗 输入电容 6 Kohm 10 pF 15 mV Pin1 0.1 % 电流超前 37C (PF=0.8 容性) Pin1 0.1 Degrees 电流滞后 60C (PF=0.5 感性) Pin1 0.1 Degrees Pin5, 6, 7, 8, 9, 10 0.2% Ib A Pin1 0.1 % Pin1 5 ADC offset Voff 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 两个通道相位误差 8 启动电流 ISTART Ib=5A, cos=1, 电压 通道 110mV rms 9 正、负向有功功率误 差% ENP 10 增益误差 Gain error 11 电源监控电路检测电 平(掉电检测电平） Vdown Vv=110mV rms, Vi=50mV rms, cos=±1 电源从 3.5V~5V 变化， 电流电压通道 满幅输入 4 9 % 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。 http://www.belling.com.cn -4V1.0 Total 12 Pages 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 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~+85C） 参数 数值 说明 t1 145ms 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 F1 和 F2 综合周期的一半。 F1,F2 输出低速脉冲周期，见 BL6513C 计算公式 t2 t3 t2 周期的一半 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。 CF 输出高速脉冲频率，见 CF 与 F1,F2 之间关系及 BL6513C 计算公式 t5 t6 F1 上升沿到 F2 上升沿之间的时间 CLKIN/4 F1,F2 之间的最小时间间隔 工作原理 电能计量原理 http://www.belling.com.cn -5Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 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 )Umax cos(t )Imax cos(t ) 令 =0 时: 令 0 时: p (t ) U max U I p (t ) max max [1cos(2t )] 2 cos( t ) I max cos( t ) U max cos( t ) I max cos( t )cos( ) I max sin( t )sin( ) U I max max [1cos(2 t )] cos( ) U max I max cos( t )sin( t )sin( ) 2 U I U I max max [1cos(2 t )]cos( ) max max sin(2 t )sin( ) 2 2 U I U I max max cos( ) max max cos(2 t )cos( ) sin(2 t )sin( ) 2 2 U I U I max max cos( ) max max cos(2 t ) 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)。 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） http://www.belling.com.cn -6Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 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） p(t ) [U cos(t ) U offset ] [ I cos(t ) I offset ] UI UI I offsetV cos(t ) U offset I cos(t ) cos(2t ) 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 http://www.belling.com.cn -7Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 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 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。 电流通道输入 从电流互感器输出的电压作为采样差分电压，直接连接到 BL6513C 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峰值660mV （对于正弦信号，有效值为 467mV） 。 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660mV 的差分电压。 RF CT IAP CF ±660mV Rb RF IP AGND IAN + - CF 火线 零线 AGND AGND 电压通道 线电压经互感器输出或电阻分压网络连接到 BL6513C 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峰值660mV（对于正弦信号，有效值为 467mV） 。 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。 http://www.belling.com.cn -8Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C RF PT VAP CF ±660mV RF AGND VN + - CF 火线 零线 AGND CF Ra Rb AGND 火线 AGND Rv AGND ±660mV VAP 零线 RF AGND 其中 Ra >> RF Rb+Rv=RF VN + - CF AGND AGND 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 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。 BL6513C 的制造工艺可以保证片与片的补偿值一致。 电源监视 BL6513C 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 4V5%， BL6513C 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 5V5％。 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。 CF 计算通路 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。 下图显示了输出频率 CF 的计算过程： http://www.belling.com.cn -9Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 选择三相有功电能的叠加模式 BL6513C 可以将三相有功电能直接以代数方式相加，即 也可以按绝对值相加方式来进行，即 Wh WhA WhB WhC Wh WhA WhB WhC ； 。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。 启动电流 实际测量中，Ib 的 0.2%可以启动。 防潜动阈值 BL6513C 每相都有防潜动逻辑，其防潜动值设定为满幅输入（电流电压满幅460mV rms） 的十万分之二。 SCF S1 S0 Max Freq On Max Freq F1/F2 For AC On CF For AC input[Hz] input[Hz] 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1.56983E-05 6.27931E-05 3.13965E-05 3.13965E-05 0.000251 0.000502 0.000251 0.000502 1.028802 0.514401 0.000125586 0.002009 0.000125586 0.001005 反向指示阈值 BL6513C 具有反向指示阈值逻辑，如果输入信号小于为满幅输入（电流电压满幅 http://www.belling.com.cn - 10 Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C 460mV rms）的十万分之七点三，REVP 检测关闭，REVP 管脚输出恒为 0。 工作方式 芯片工作计算公式 BL6513C 对分别对三相输入电压和电流信号求乘积，并通过信号处理，把获取的三相 有功功率相加，并把功率信息转换成频率。以高电平有效的方式从 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 13.25U AP I A U BP I B UCP IC F15 Freq 2 VREF Freq----引脚 F1,F2 输出脉冲频率 UAP, UBP, UCP----电压通道的输入电压的有效值（单位：V） IA, IB, IC----电流通道的输入电压有效值（单位：V） VREF----基准电压(2.5V8%) F1-5----5 种模式系数不同，由 SCF, S1, S0 决定。 工作模式选择 SCF，S0，S1 是 BL6513C 芯片模式选择管脚，可以通过接不同的电压（+5V 或 0V） 来调整芯片的工作模式，CF、F1、F2 的输出频率与 SCF、S0、S1 输入脚关系如下表所示： SCF 1 1 1 1 0 0 0 0 输入信号，电流、电压均为±500mV 峰峰值，交流 50Hz S1 S0 F1-5 Max Freq CF vs. Max Freq On F1/F2 F1/F2 On CF For For AC AC input[Hz] input[Hz] 1 1 0.566 0.45 16 7.2 1 0 2.264 1.8 8 14.4 0 0 1.132 0.9 8 7.2 0 1 1.132 0.9 16 14.4 1 1 29491.2 1 0 14745.6 0 1 4.527 3.6 16 57.6 0 0 4.527 3.6 8 28.8 计算实例 例1 电流电压通道输入峰值为±500mV 的交流电压，理想的频率输出计算如下： F15 0.566, SCF S 0 S1 1 U AN U BN U CN IA IB IC 0.5 / 2 V http://www.belling.com.cn - 11 Total 12 Pages V1.0 三相有功功率 计量芯片 BL6513C VREF 2.5V （典型值） Freq 3 13.25 0.5 0.5 0.566 0.45Hz 2 2 2.52 最大输出频率与所计算的相数有关。 应用线路简图 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 - 12 Total 12 Pages V1.0