BL0921

BL0921
特点
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
概述
高精度，在输入动态工作范围（500:1）内，非
BL0921 集成电路是电子电度表的核心芯片，
线性测量误差小于 0.1%
基于此芯片设计的电子电度表具有外围电路简单、
校表过程中高稳定性，输出频率波动小于 0.1%
精度高、稳定性好等特点，适用于单相两线电力用
精确测量正、负两个方向的有功功率，且以同
户的电能计量。利用 BL0921 可以制成单相反窃电
功能的电子电度表，这种电度表以同一方向计量计
一方向计算电能
有两个电流采样端，分别采样火线和零线电
算正向或负向的有功功率，累计用电量。
流，取两个电流采样端中的较大值作为计量，即使
BL0921 具有两个电流采样端，分别采样火线
在错误用电时
和零线电流，当电流误差超过 12.5%时，表明有窃
电行为或错误接线，Pin12（FAULT）发出指示信
电流通道增益可变，在电流通道输入端可以使
号，并按照两个电流中大的一个电流值计量。
用小的分流电阻
慢速输出脉冲能直接驱动电机工作，快速输出
BL0921 基于数字信号处理，有测量负向有功
功率的功能。它能把负向有功功率转换成与正向有
脉冲可用于计算机数据处理
功功率方向一致的脉冲输出。Pin14（CF）输出较
防窃电功能，逻辑输出脚 REVP、FAULT 用于
高频率的脉冲，用于计量和计算机数据处理，Pin16
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
（F1）和 Pin15（F2）输出较低频率的脉冲用于驱
具有防潜动功能
动脉冲电机，间接驱动机械字轮计度器，记录用电
芯片上带参考电压源 2.5V±8%（温度系数典
量。在测量负向功率时 Pin13（REVP）有负电平输
出，用于指示该时的功率为负方向。
型值 30ppm/℃），也可以使用外部电压源
BL0921 着重考虑了校表过程中读数误差的稳
片上内置时钟晶振
单工作电源 5V
定性的需求，成品测量数据表明在小信号 5%Ib
低功耗 25mW（典型值）
（Ib=5A）情况下输出校表脉冲信号的稳定度在
采用 0.35um CMOS 工艺，批量的一致性和产
0.1%以内。
品可靠性得到进一步提高。
相关专利申请中
管脚与框图
VDD
1
16
F1
V1A
2
15
F2
V1B
3
VREF
VDD
输入控制
14
CF
REVP
V1N
4
V2N
5
12 FAULT
V2P
6
11
G
VREF
7
10
S0
GND
8
9
S1
BL0921
13
V1A
V1B
V1N
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电源检测
BL0921
电流采样
模数转
换器
高通滤
波器
数字乘法
器
V2P
V2N
电压采样
模数转
换器
低通滤
波器
高通滤
波器
数字--频
率转换输
出控制
FAULT
REVP
CF
F1
F2
逻辑控制
G
SOP 16
振荡器
基准电压源
S0
S1
BL0921 系统图
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BL0921
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
管脚描述
管脚号
1
符号
VDD
2，3
V1A，V1B
4
V1N
5，6
V2N，V2P
7
VREF
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。
8
GND
内部电路的接地点。
9，10
S1，S0
11
G
12
FAULT
高电平指示错误用电。当 V1N 和 V1B 输入信号相差 12.5%时，有指示。
在 V1N 和 V1B 恢复平衡后，FAULT 不再指示，并对输出清零。
13
REVP
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。
14
CF
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。
F1，F2
低速逻辑脉冲输出脚，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
BL0921 计算公式。
16，15
说明
电源电压（+5V），正常工作时电源电压应该保持在 5V±5%之间。
两路电流采样信号的正输入脚。对 V1N 端的最大差分输入电压分别为
±660mV。
电流采样信号的负输入脚。
电压采样信号的负、正输入脚。最大差分输入电压为±660mV。
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。
极限范围
( T = 25 ℃ )
项目
符号
极值
单位
电源电压 VDD
VDD
-0.3~+7(max)
V
输入电压(相对于 GND)
Vv
VSS+0.5≤Vv≤VDD-0.5
V
输入电压(相对于 GND)
Vi
VSS+0.5≤Vi≤VDD-0.5
V
工作温度
Topr
-40~+75
℃
贮藏温度
Tstr
-55~+150
℃
400
mW
功耗（SOP16）
电参数
（T=25℃,VDD= 5V, 片内振荡器)
测量项目
1 电源电流
符号
测量条件
测量点
IVDD
最小
Pin1
2 逻辑输入脚
G, S0,S1
典型
最大
单位
5
mA
Pin11,9,
10
输入高电平
VIH
输入低电平
VIL
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VDD=5V
2
V
1
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V
BL0921
输入电容
10
CIN
3 逻辑输出脚
F1,F2
VOH1
IH=10mA
输出低电平
VOL1
IL=10mA
0.5
V
mA
Pin14,13
,12
VOH2
IH=10mA
输出低电平
VOL2
IL=10mA
4.4
IO2
Vref
V
0.5
V
10
VDD=5V
Pin7
温度系数
6 模拟输入脚
V1A,V1B,V1N
V2N,V2P
最大输入电平
V
10
输出高电平
5 基准参考电压
4.4
IO1
4 逻辑输出脚
CF,REVP,FAULT
输出电流
pF
Pin16,15
输出高电平
输出电流
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
MA
2.3
2.5
2.7
V
30
30
60
ppm/°C
±1
V
Pin2,3,4,
5,6
VAIN
直流输入阻抗
330
输入电容
6
Kohm
10
pF
7 精度
电流通道的非线性
测量误差
增益为 1
ENL1
增益为 16
ENL16
电压通道输入
±660mV;
电流通道满刻度
±660mV
动态范围 500:1 内
Pin14
0.1
%
Pin14
0.1
%
电流超前 37°
(PF=0.8 容性)
Pin14
0.1
0.3
%
电流滞后 60°
(PF=0.5 感性)
Pin14
0.1
0.3
%
两个通道相位误差
8 启动电流
ISTART
Ib=5A ,C=3200,
Pin14
0.2%Ib
A
cosϕ=1
电压通道±110mV
电流通道增益为 16
9 正、负向有功功率
误差%
10 增益误差
ENP
Vv=±110mV,
V(I)=2mV, cosϕ=1
Vv=±110mV,
V(I)=2mV, cosϕ=-1
Gain error
11 增益匹配误差
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Pin14
0.3
%
Pin14
±5
%
1
%
Pin14
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0.2
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BL0921
12 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
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
Pin14
3.9
4
4.1
指标说明
1）非线性误差%
BL0921 的电压通道输入固定 Pin6（V2P），
Pin5（V2N）
之间交流电压 V(V)为±110mV，
功率因数 cosϕ=1，
Pin3（V1B）与 Pin4（V1N）之间电压 V(I)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）启动电流
在电表常数 C=3200，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 Pin18（CF）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，在 V(V)=±110mV、V(I)对应 Ib 点，BL0921 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 Pin6（V2P）与 Pin5（V2N）间的电压采样信号 V(V)与 Pin3（V1B）与 Pin4（V1N）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。
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）增益匹配误差
同一芯片中，不同增益选择条件下，输出信号之间的非线性偏差可以看成系统增益的匹配误差。
7）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， GND=0V，使用片内基准电压源和片内振荡器，温度-40~+85°C）
参数
t1
数值
144ms
t4
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，F1，F2 输出周期小于 550ms 时，
F1，F2 的脉宽为周期的一半。
F1，F2 输出低速脉冲周期，见 BL0921 计算公式。
t2
t3
说明
t2 周期的一半
71ms
t5
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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 BL0921
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V
BL0921
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样电能计量芯片
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
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
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BL0921
I
电电
采采
模-模
转转
高高
滤滤
模数
乘乘乘
V
电电
采采
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
模-模
转转
低高
滤滤
高高
滤滤
积积
CF
模数频频
转转
F1
F2
瞬瞬瞬瞬频瞬瞬
瞬瞬瞬频瞬瞬p(t)
V*I
p(t)=i(t)*v(t)
其其
v(t)=V*cos(wt)
i(t)=I*cos(wt)
V*I
2
p(t)=
V*I
2
V*I
2
{1+cos(2wt)}
t
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
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BL0921
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
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。
电压通道输入
电压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。
V1
V2P
+660mV
最最最最最积电电最±660mV
+
V1
-
V2N
V2
V2
最最最最最模电电100mV
AGND
-660mV
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。
RF
CT
V2P
CF
±660mV
RF
AGND
V2N
+
-
CF
火火
零火
AGND
CF
Ra
Rb
AGND
火火
AGND
Rv
AGND
±660mV
V2P
零火
RF
AGND
其其
Ra >> RF
Rb+Rv=RF
V2N
+
-
CF
AGND
AGND
电流通道输入
电流通道有两个电流输入端，然而，每一时刻，只有一个通道用来能量计量。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。
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BL0921
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
V1
V1A
+660mV
GAIN
最最最最最积电电最±660mV
+
V1
V2
V1N
-660mV
GAIN
-
V2
最最最最最模电电100mV
V1
+
V1B
AGND
电流通道的典型连接电路下图，其中，第一种是用两个 CT（电流互感器）分别采样火
线和零线的电流，Rb 作为负载电阻用来产生差分信号±660mV/gain，第二种是用 PT（电压
互感器）和电阻分压网络提供电压信号。
RF
CT
V1A
Rb
IP
IN
±660mV
GAIN
V1N
AGND
Rb
±660mV
GAIN
-
CF
V1B
CT
火火
CF
+
RF
零火
CF
Ra
Rb
Rv
AGND
其其
Ra >> RF
Rb+Rv=RF
±660mV
V1A
AGND
IP
+
-
V1N
IN
AGND
Rb
±660mV
GAIN
-
CF
V1B
CT
火火
+
+
RF
零火
FAULT 检测
BL0921 有两个电流采样端，对火线和零线同时采样，当两个电流采样端的误差超过
12.5%时，表明有窃电行为或错误接线，Pin12（FAULT）发出指示信号，并按照两个中大的
一个电流计量。
上电时，BL0921 的输出脉冲与 V1A 和 V2 的乘积成正比，如果 V1A 和 V1B 的误差超
过 12.5％时， FAULT 指示灯在一秒左右变亮，而且如果 V1B 比 V1A 大，那么 BL0921 将
会选 V1B 作为计量。
当 V1A 大于 V1B 时，V1A 作为计量。如果 V1B 不断减小，当 V1B 小于 87.5％V1A 时
FAULT 指示会变亮，此时依然按照 V1A 进行计量。
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BL0921
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
V1A
V1B
V1A
V1B
0V
FAULT
电电采采
模模转转
V1N
V1B < 87.5% V1A
如果开始时 V1A 作为计量，且 V1B 不断增加，当 V1B 大于 114％V1A 时，FAULT 指
示会变亮，此时将会按照 V1B 进行计量，并且只有当 V1A 大于 114％V1B 时才会重新按照
V1A 计量，但是只要 V1A 与 V1B 的差值小于 12.5％V1B，FAULT 指示不亮。
V1B
V1A
V1A
V1B
V1N
0V
FAULT
电电采采
模模转转
V1A < 87.5% V1B
工作方式
芯片工作计算公式
BL0921 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 =
3.5 × V (V ) × V ( I ) × gain × FZ
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
Gain——电流通道的系统增益，由 G 的逻辑输入决定。
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
S1
S0
Fz(Hz)
分频关系
0
0
1.7
CLKIN/2^21
0
1
3.4
CLKIN/2^20
1
0
6.8
CLKIN/2^19
1
1
13.6
CLKIN/2^18
工作模式选择
Pin9（S1）
，Pin10（S0）是 BL0921 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 Pin9（S1）
，
Pin10（S0）输入脚关系如下表所示：
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BL0921
集成振荡器单相双电流采
样电能计量芯片
模式
1
S1
S0
0
0
CF 对 F1,F2 的频率比
64
2
0
1
32
3
1
0
16
4
1
1
8
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）：
G1
增益
最大输入差分电压
1
1
±660mV
0
16
±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±660mV，共模电压 100mV。
对应允许 CF，F1，F2 最高输出频率：
S1
S0
Fz
F1,F2 最高输出
频率(Hz)
直流
交流
CF 最高输出频率(Hz)
直流
交流
0
0
1.7
0.68
0.34
64×F1,F2=43.52
64×F1,F2=21.76
0
1
3.4
1.36
0.68
32×F1,F2=43.52
32×F1,F2=21.76
1
0
6.8
2.72
1.36
16×F1,F2=43.52
16×F1,F2=21.76
1
1
13.6
5.44
2.72
8×F1,F2=43.52
8×F1,F2=21.76
封装形式
SOP16
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。
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