BL0932B 单相双向功率电能计量芯片 特点 概述 管脚与框图

BL0932B
特点
单相双向功率电能计量芯片
概述
适用于单相电度表的设计
BL0932 系列(包括 BL0932、BL0932B)集成电
线性好,动态工作范围大
路是目前国内广泛使用的电子电度表的核心芯片,
明显改善校表误差跳动
基于此系列芯片设计的电子电度表具有外围电路
精确测量正、负两个方向的有功功率,且以同
简单、精度高、稳定性好等特点,适用于单相两线
电力用户的电能计量。
一方向计算电能
防潜动功能
慢速输出脉冲能直接驱动电机工作,快速输出
BL0932B 是 BL0932 的改进型芯片,改善了校
BL0932 测量负向有功功率的功能。它能精确测量
脉冲可用于计算机数据处理
芯片上带参考电压源-1.25V±8%(温度系数典
表误差跳动比较明显的状况。 BL0932B 保持了
型值 30ppm/℃)
正、负两个方向的有功功率,且以同一方向计算电
能。Pin8 输出较高频率的脉冲,用于计量和计算机
双工作电源±5V
数据处理,Pin13 和 Pin14 输出较低频率的脉冲用
低功耗 25mW(典型值)
于驱动脉冲电机,间接驱动机械字轮计度器积算功
可靠性好,工作寿命大于 20 年
率,记录用电量。利用 BL0932 系列芯片可以制成
采用 20 脚的双列直插式塑料或陶瓷封装
具有真正的反窃电功能的电子电度表,这种电度表
以同一方向计量积算正向或负向的有功功率,累计
用电量,深受供电部门欢迎。
BL0932 系列芯片无论测量正向有功功率或负
向有功功率都有很高的精度(优于 1%),且在测量负
相关专利申请中
向功率时 Pin9 有负电平输出,用于指示该时的功率
为负方向。
BL0932B 主要针对 BL0932 校表误差跳动问题
进行改进,测量数据表明在 Ib(5A)情况下大信号的
跳动在 0.3%左右,此项性能明显优于 BL0932。
管脚与框图
20
2
19
3
18
4
17
5
6
7
BL0932B
1
16
15
14
8
13
9
12
10
11
电流采样
信号
电压采样
信号
快速脉冲
缓冲放
大器
模拟乘
法器
缓冲放
大器
电压
频率
转换器
32KHz
时钟
计数
电路
驱动
电路
控制
电路
DIP 20
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慢速脉冲
BL0932B
单相双向功率电能计量芯片
管脚描述
管脚号
符号
说明
1,2
Vi1,Vi2
电流采样信号输入管脚
3
AGND
内部模拟电路的接地点
4,5
Vv
6,7
Vr6,Vr7
8
P8
有功功率计算快速脉冲输出管脚
9
S9
负向有功功率指示信号
10
Tc
测试控制端
11
Vss
负电源(-5V)
12
DGND
13,14
Vm
脉冲电机驱动慢速脉冲输出管脚
15,16
OSC
晶振
17
Vdd
正电源(+5V)
18,19
C1
外接积分电容 C1 输入管脚
19,20
C2
外接积分电容 C2 输入管脚
电压采样信号输入管脚,内部内连
参考电压调整端管脚
内部数字电路的接地点
极限范围
( Ta = 25℃ )
项 目
符 号
极 值
单 位
正电源电压
Vdd
+6(max)
V
负电源电压
Vss
-6(min)
V
输入电压
Vv
Vdd+0.5≤Vv≤Vss-0.5
V
输入电压
Vi
Vdd+0.5≤Vi≤Vss-0.5
V
工作温度
Topr
-30 ~ +75
℃
贮藏温度
Tstr
-55 ~ +150
℃
常温电参数
(Ta = 25℃,Vdd = 5V,Vss = -5V,Fosc = 32.768KHz,θ(Vi~Vv) = 0,Pin8、9 通过
500Ω接地)
测量项目
符号
测量条件
测量点
最小
典型
最大
单位
正电源电流
Idd
Vv, Vi = 0
Pin17
1.5
2.5
3
mA
负电源电流
Iss
Vv, Vi = 0
Pin11
2.5
3.5
4
mA
参考电压
Vr6
Vv, Vi = 0
Pin6
-1.2
-1.25
-1.3
V
参考电压
Vr7
Vv, Vi = 0
Pin7
-0.6
-0.625
-0.65
V
负向有功功率
指示
V9
Vv=0.85V, Vi=1.7mV,:
Pin9
-4
V
有功功率积算
脉冲
V8
Pin8
-4
V
ϕ=π
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Vv=1V, Vi=7mV
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BL0932B
单相双向功率电能计量芯片
马达驱动电压
Vm
Pin13,14 接 400:Ω
Pin13,14
-4
非线性误差%
eNL
不补偿,Vv=0.85,
Vi=43µV~12mV
Pin8
|±0.85%|
启动电流
ISTAR
Ib=5A , C=3200, ϕ=0
Vv=0.85V
Pin8
正、负向有功
功率误差%
eNP
Vv=0.85V, VI=1.7mV,
Pin8
0.2%Ib
V
µV
|±0.5%|
ϕ=0
Vv=0.85V, VI=1.7mV,
ϕ=π
第 13、14 脚与
第 8 脚输出频
率之比
fm / f8
Vv=0.85V, Vi=1.7mV
Pin13,14
Pin8
第 8 脚的漏电
流
I18
Vv,Vi=0V, V8 =0V
Pin8
-100
A
第 9 脚的漏电
流
I19
Vv,Vi=0V, V9 =0V
Pin9
-100
A
第 13,14 脚的
漏电流
I13,14
Vv,Vi=0V, V13,14=0V
-100
A
1:16
指标说明
1) 非线性误差%
BL0932B 的 Pin1 和 Pin2 不加补偿,Pin4 与 Pin3 之间的交流电压 Vv 为 0.85V,功率因数 cosϕ=1,Pin1
与 Pin2 之间电压 Vi 在 100µV~12.5mV 范围内,
任何一点相对于 Vi=1.7mV 的测量非线性误差小于|±0.85%|:
eNL% = | [ (X 点误差% - 1.7mV 点误差%) / (1 + 1.7mV 点误差%) ] * 100% |
2) 启动电流
在电表常数 C=3200,基本电流 Ib=5A、cosϕ=1、Vv=0.85V、5%Ib 点电度表误差为正的条件下,能使
Pin8 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 Vv=0.85V、Vi=1.7mV 点,BL0932B 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。
工作方式
BL0932B 的传递函数:
其中:
Fout= G×Vi×Vv×cosφ
Vv
电压取样值
Vi
电流取样值
G
芯片增益 (≈594)
Fout
Pin8 的输出脉冲频率
(CLK = 32768Hz)
Fs 输出脉冲频率: Fs=A×Vi×Vv×cosφ/Vref2
其中: Vref 参考电压
A
频率转换常数 (≈116)
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BL0932B
单相双向功率电能计量芯片
Fs
步进马达驱动频率 (Pin13,Pin14 的综合频率)
Pin10 是 BL0932 系列芯片的测试管脚,可以通过接不同的电压(+5V、0V 或-5V)来
调整芯片的工作模式,Pin10 输入电压与 Pin8、Pin9 和 Pin13、Pin14 输出脚关系如下表所示:
Pin10
(IN)
输入
功率
Pin8(OUT)
Pin9(OUT)
Pin13(OUT)
Pin14(OUT)
+5V
正功
快速功率计数
脉冲
快速功率计数
脉冲
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
+5V
负功
快速功率计数
脉冲
快速功率计数
脉冲
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
0V
正功
负向被调制的
功率脉冲
( 0/-5V )
0V(DC)
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
0V
负功
负向被调制的
功率脉冲
( 0/-5V )
-5V(DC)
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
-5V
正功
功率脉冲
( 0/-5V )
0V(DC)
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
-5V
负功
功率脉冲
功率脉冲
(频率为 Pin8
的 2 倍)
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
宽度为 125mS
的负脉冲,
1/16Pin8 频率
1) 输入功率(正/负)
指 Pin4-Pin3 间的电压采样信号 Vv 与 Pin2-Pin1 间的电流采用信号 Vi 乘积 Vv*Vi*cosϕ
的符号,大于零为正功,小于零为负功。
2) Pin13 和 Pin14 输出脉冲互相在对方周期的中间位置,所以 Pin13,Pin14 的综合输出频率为 1/16 的 Pin8
输出信号频率。
质量保证
质量部对 BL0932 系列芯片采取了以下保证措施:
1) 采用国际先进的集成电路制造工艺。
2) 成品在 125℃条件下作动态电老化 15 小时(相当于在 30℃条件下加电工作 359 天)
。
3) 老化结束后,再进行成品测试。
根据质量部加速寿命试验,BL0932 系列产品的工作寿命大于 20 年。
应用举例
用 BL0932 系列芯片做(Ib=5A,C=3200P/kwh ) 的电子电度表
1) 计算 Vi
取 Ro=800µΩ,设电度表的计度功率为 1Kw 时
则:流过 Ro 的电流 I=1000/220=4.54 (A)
-
-
此时 Ro 两端的电压为 Vi=4.54×5×10 4=2.27×10 3(V)
2) 计算 Vv
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BL0932B
单相双向功率电能计量芯片
根据 BL0932B 的原理公式
Fout=G×Vi×Vv×COSΦ
(G=594±15%)
设电度表计度能量为 1Kwh,COSΦ=1 时,电度表误差为零,则此电度表在 1 小时内
在 Pin8 发出的功率计数脉冲的频率 Fout 为:
则:Fout=C/3600=3200/3600=0.8 (P/Kws)
-
Vv=0.8/594×2.27×10 3=0.658 (V)
实际上电流取样电阻 Rθ的值一般误差较大,芯片的增益呈正态分布,所以在实际电路
中 Vv 的值应有一定的变化范围,由较宽的适应性。
3) 计算调整电阻网络群 R1*范围
参见电度表工作原理图,R1 即原理图中的 R1~R11
UAG/UBG=[R2+(R4+R7)/R8] / [(R4+R7)/R8]
=[470+(910+5.1)/27] / [(910+5.1)/27]
UAG=12.45 (V)
RAG=[R2+(R4+R7)/ R8] /R3=491.22/47=42.93 (KΩ)
Umin/UAG*=(R12+R1*+RAG)/RAG
220/UAG*=(330+R1*+42.93)/42.93
R1*=9444.6/UAG-372.93
R1*=9444.6/(0.85~1.15)×12.45-372.93=(519~287) (KΩ)
最后确定电阻网络群 R1*
4) 计算小信号时的补偿电阻 R5*、R6*
VCG/VBG=R7/(R4+R7) VCG=5.1/915.1×0.658=3.67 (mV)
当在 0.05Ib 时 Vi 作 0.5%的正补偿。
则在 0.05Ib=0.05×5=0.25 (A)
-
此时在 Ro 上的压降为 Vi=0.25×5×10 4=0.125mA
当补偿 0.5%时则:V 补=1.25×10 – 4×0.5%=0.625µV
VCG/V 补=R5/R15
R5=587 (KΩ) 取 610KΩ
同理,当在 0.05Ib 需作负补偿时,R6 也可取 610KΩ
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BL0932B
单相双向功率电能计量芯片
典型应用
印刷电路板制作
在电子电度表中,220V 的高电压和µV 数量级的小信号共集于一块印刷电路板上,只要
在 Pin1、Pin2 之间形成 0.25µV 左右的干扰信号就会明显影响电度表的非线性误差。所以,
该表的印刷电路板的质量、焊接和装配是产品的关键。
11
1) 印刷电路板应具有良好的绝缘 —— 印刷电路板的绝缘电阻应大于 10 Ω,用 1000MΩ
的兆欧表测量印刷电路板上任何两不相连的点(线)
,表指针不能有明显的摆动。
2) 印刷电路板走线要科学 —— 220V 的高电压走线要尽量短,尽量远离小信号的走线。
R17、R16、C4 和 C5 这些元件要尽量使其靠近电路板边缘。Pin1、Pin2 是主要的小信号输
入端,这两脚的引线要互相靠近、平行走线,使两线所处条件相似,而且要尽量远离其它信
号线。Pin3 是模拟信号零线,应该尽量避免与测量信号无关的杂乱电流流经此线。
3) 印刷电路板单面走线 —— 单面走线,另一面铜箔既作电磁屏蔽用,又作地线用,以降
低地线导通电阻,减少干扰信号。
元器件的选择
1) 晶振质量要求
晶振的质量会影响电子电度表中振荡电路的起振时间和起振可靠性。以下给出两组质量
比较好的晶振参数,特别要注意的是 Rq 不能过大(<35K)。
Lq=11800H、Cq=0.002PF、Rq=15K~35K、C0=0.93PF
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单相双向功率电能计量芯片
Lq=7864H、 Cq=0.003PF、Rq=15K~30K、C0=1.8PF
2) 分压网络中电阻参数要求
BL0932B 电子电度表的电阻分压网络的分压系数一定要稳定,否则会引起电度表精度
的不稳定。要保证一级表的精度,建议使用精度优于 1%、温度系数小于 100ppm/oC 的电阻。
3) 电解电容器
电解电容器的寿命直接影响到电能表的工作寿命。建议使用长寿命高温度系数的电解电
容器。
相位补偿
分压网络中经常需要在电阻 R11 上并联一个小电容来补偿 cosϕ=0.5(L)功率因数。以阻
值为 270K 的 R11 并联一个电容 C14=22~100PF,可以在 cos60o(L)时这点产生-0.1~-0.4%
的误差补偿。根据电度表的外围分布参数的变化,应用中补偿电容 C14 的电容量需要相应
调整。如果功率因数误差较小时,可以不加此部分电路。C14 的耐压要大于等于 200V。
关于 EMC 设计的补充
1) 减小较长引线的干扰
在推荐的应用电路图中,在 BL0932B 的 10 脚和 11 脚之间增加了一个 0Ω的电阻,这
完全是布线的需要;在 BL0932B 的 13、14 脚分别对地增加了 4700p 的滤波电容。由于到计
度器引线脚的线路一般较长,为了提高抗干扰性能,我们设计了四个电容,其间的 0Ω电阻
同样也是布线的需要。
2) 电源布局
将电源部分和光耦放在右边,将 BL0932B 及其外围贴片元件放在左边。这样将使
BL0932B 尽可能地远离电源部分,从而优化了 BL0932B 的工作环境。
图四
3) BL0932B 的外围器件分布
(1)电流采样输入端
将限流电阻 R13、
R14 紧靠电流采样输入端(I+、I-),让滤波电容 C8、
C9 靠近 BL0932B。
由于 R13、R14 底下走了一根地线,因此当干扰信号流过 R13、R14 时,其产生的磁场将先
被地线旁路一部分。剩下的再被 C8、C9 滤波一次,这样由该端进入 BL0932B 的干扰信号
就小多了。
(2)电压采样输入端
电压采样输入端(N)信号将流经一连串的网络电阻,将这些网络电阻(R1~R11)尽量分布
成环形,使电流产生的磁场在环形网络电阻区间能相互削弱,从而减少影响 IC 的程度。
(3)计度器输出端
由于从 BL0932B 的 13、14 脚到计度器输出端往往线路较长,所以我们在 13、14 脚和
计度器输出端分别设计了两个对地电容,使从计度器端进人的干扰信号确保"自始至终"被滤
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BL0932B
单相双向功率电能计量芯片
掉。
图五
4) 整板布线
如图六所示为推荐的整板焊接面布线图。在主要的电阻底下皆走了一根地线,用于吸收
干扰的电磁场信号和旁路流过电阻的电流所产生的电磁场。在元件面和焊接面所有无线路的
部分皆进行了覆铜(光耦付边除外,否则影响绝缘指标),从而提高了整机的抗 EMC 性能。
图六
BL0932B 基板(版本 020723)
Comment
Footprint Quantity
Designators
0
1206
3
R17
R19 R23
0.1u
0805
4
C2
C3
1.5K
1206
1
R9
100
1206
2
R13
1000u/10V
CBA
1
C5
100K
1206
1
R3
12K
1206
1
R6
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C10 C11
R14
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BL0932B
2.7K
1206
1
R15
2200u/10V
CBA
1
C4
22p
0805
1
C14
24K
1206
1
R5
270K
1206
3
R1
300K
1206
1
R22
3K
1206
1
R8
4.7K
1206
2
R16
R18
4700p
0805
8
C6
C7
5.1
1206
1
R21
51K
1206
1
R4
6.2K
1206
1
R7
620
1206
1
R20
750
1206
1
R10
BL0932
DIP20
1
U1
CBBn-0.33u
CBB
1
C1
CRYSTAL
XTAL2
1
XTAL
DIODE(IN4007)
D
2
V1
LED
LED
1
LED
NEC2501
DIPP4
1
U2
R11(压敏电阻)
Rv
1
Rv
RJ14-470
RM
1
R12
ZENER(5.1V)
DW
2
V3
R2
单相双向功率电能计量芯片
R11
C8
C9
C12 C13 C16 C15
V2
V4
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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