BELLING BL6513 Bl6513 Datasheet

BL6513
特点
三相有功功率计量芯片
概述
高精度,在输入动态工作范围(500:1)内,非
线性测量误差小于 0.1%
BL6513 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
校表过程中高稳定性,输出频率波动小于 0.1%
型值),因此可以采用三相阻容分压电源,大大降
输入信号频率变化(45Hz~65Hz)引起的测量误
低了生产成本。基于此芯片设计的三相电子电度表
差小于 0.1%
具有外围电路简单、精度高、稳定性好等特点,适
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
BL6513 是基于数字信号处理的电能计量芯片,
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
用于三相三线和三相四线电力用户的电能计量。
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
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
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
慢速输出脉冲(F1、F2)能直接驱动电机工作
于驱动脉冲电机,间接驱动机械字轮计度器计算功
快速输出脉冲(CF)可用于计算机数据处理
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。
片内电路结构完全保证电压和电流通道的信
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%采用 SOP24
45Hz~65Hz 范围内的频率变化对增益基本没有影
响。
封装形式
采用 0.35um 数模混合 CMOS 工艺,可靠性好,
工作寿命大于 20 年
片内防潜动逻辑可以保证无潜动。
BL6513 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
注: 相关专利申请中。
有极强的稳定度(CF 的波动小于 0.1%)。
系统框图
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BL6513
三相有功功率计量芯片
管脚描述
管脚号
1
符号
CF
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,在任何一相中,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。
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±500mV。
11
AGND
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±500mV。
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
低速逻辑输出脚,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。
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说明
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。
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
时钟驱动脚或与 CLKIN 之间接晶振
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BL6513
三相有功功率计量芯片
封装尺寸
极限参数
( T = 25 ℃ )
项目
电源电压 VDD
符号
VDD
极值
-0.3~+5.3(max)
单位
V
输入电压(相对于 AGND)
Vv
VSS+0.5≤Vv≤VDD-0.5
V
输入电压(相对于 AGND)
Vi
VSS+0.5≤Vi≤VDD-0.5
V
工作温度
Topr
-40~+85
℃
贮藏温度
Tstr
-55~+150
℃
400
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
Pin3
2 逻辑输入脚
SCF, S0, S1, ADDSEL
典型
最大
7
单位
mA
Pin17, 18,
21, 22,
输入高电平
VIH
输入低电平
VIL
1
V
输入电容
CIN
10
pF
VDD=5V
3 逻辑输出脚 F1, F2
4
V
Pin23, 24
输出高电平
VOH1
IH=10mA
输出低电平
VOL1
IL=10mA
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
输出电流
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IO2
4.4
V
0.5
10
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V
mA
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BL6513
6 基准参考电压
Vref
VDD=5V
三相有功功率计量芯片
Pin12
2.3
温度系数
7 模拟输入脚 IAP, IAN,
IBP, IBN, ICP, ICN,
VN,VCP, VBP, VAP
最大输入电平
2.6
V
30
60
ppm/°C
Pin5, 6, 7, 8,
9, 10, 13,
14, 15, 16
VAIN
直流输入阻抗
输入电容
ADC offset
2.42
±500
mV
330
Kohm
6
10
±15
Voff
pF
mV
8 精度
电流通道的非线性
测量误差
电流通道输入
±500mV;动态
范围 1000:1
Pin1
0.1
0.3
%
电流超前 37°C
(PF=0.8 容性)
Pin1
0.1
0.3
%
电流滞后 60°C
(PF=0.5 感性)
Pin1
0.1
0.3
%
0.2%
Ib
两个通道相位误差
9 启动电流
10 正、负向有功功率误
差%
ISTART
Ib=5A, C=100,
cosϕ=1, 电压
通道±110mV
Pin5, 6, 7, 8,
9, 10
ENP
Vv=±110mV,
V(I)=2mV,
cosϕ=1;
Vv=±110mV,
V(I)=2mV,
Pin1
A
0.3
%
±5
±7
%
4
4.1
V
cosϕ=-1
11 增益误差
12 电源监控电路检测电
平(掉电检测电平)
Gain
error
Vdown
Pin1
电源从
3.5V~5V 变化,
电流电压通道
满幅输入
3.9
指标说明
1)非线性误差%
BL6513 的三个电压通道输入固定,交流电压 V(V)为±110mV,功率因数 cosϕ=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=100,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 Pin1 产生脉冲信号的电流回路中的最小交流电流。
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BL6513
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,BL6513 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)*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)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)
VDD=5V,AGND=DGND=0V,使用片内基准电压源和晶振,温度-40~+85°C
参数
t1
数值
145ms
F1,F2 输出低速脉冲周期,见 BL6513 计算公式
t2
t3
t2 周期的一半
t4
90ms
F1 上升沿到 F2 上升沿之间的时间
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 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 BL6513 计算公式
t5
t6
说明
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。
CLKIN/4
F1,F2 之间的最小时间间隔
工作原理
电能计量原理
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BL6513
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:
p (t ) =U max cos(ω t )×I max cos(ω t +Φ )
令 Φ =0 时:
U
I
p (t ) = max max [1+ cos(2ω t )]
2
令 Φ ≠ 0 时:
p (t ) = U
max
cos(ω t ) × I
max
cos(ω t + Φ )
=U max cos(ω t )×[ I max cos(ω t )cos(Φ )+ I max sin(ω t )sin(Φ )]
U
I
= max max [1+cos(2ω t )] cos(Φ )+U max I max cos(ω t )sin(ω t )sin(Φ )
2
U
I
U
I
= max max [1+cos(2ω t )]cos(Φ )+ max max sin(2ω t )sin(Φ )
2
2
U
I
U
I
= max max cos(Φ )+ max max [ cos(2ω t )cos(Φ )+sin(2ω t )sin(Φ )]
2
2
U max I max
U max I max
=
cos(Φ ) +
cos(2ω t + Φ )
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
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BL6513
三相有功功率计量芯片
电能计量信号流(局部)
BL6513 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( Φ =0 度)
p (t ) = [U cos(ωt ) + U offset ] × [ I cos(ωt + Φ) + I offset ]
=
UI
UI
+ I offsetV cos(ωt ) + U offset I cos(ωt ) +
cos(2ωt )
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。
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BL6513
三相有功功率计量芯片
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。
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。BL6513 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 BL6513 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满刻度差分电压,直接连接到 BL6513 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±500mV
(对于正弦信号,有效值为 353mV)。
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±500mV 的差分电压。
RF
CT
IAP
CF
±660mV
Rb
RF
IP
AGND
IAN
+
-
CF
火火
零火
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 BL6513 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±500mV(对于正弦信号,有效值为 353mV)。
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。
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BL6513
三相有功功率计量芯片
RF
PT
VAP
CF
+
±660mV
RF
AGND
VN
-
CF
火火
零火
AGND
CF
Ra
Rb
AGND
火火
AGND
Rv
AGND
±660mV
VAP
零火
RF
AGND
其其
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。
BL6513 的制造工艺可以保证片与片的补偿值一致。
电源监视
BL6513 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 4V ±5% ,
BL6513 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 5V±5%。
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:
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BL6513
三相有功功率计量芯片
选择三相有功电能的叠加模式
BL6513 可以将三相有功电能直接以代数方式相加,即
可以按绝对值相加方式来进行,即
Wh = WhφA + WhφB + WhφC
Wh = WhφA + WhφB + WhφC
;也
。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。
选择绝对值相加的模式时,在计算总的有功电能中,每相的有功能量都被认为为正。这
种模式在三相四线连接方式下尤其有用,因为此情况下,有功功率的符号总是不变的。若电
表连接错误,如一相上电流互感器的方向接错,则总的有功能量就会变成正常状况下的三分
之一,因为其中两相互相抵消了。当然,在这种模式下,反相检测输出会指示接线的错误。
启动电流
实际测量中,Ib 的 0.2%可以启动。
防潜动阈值
BL6513 的防潜动值设定为,当电流电压输入都为 500mV 有效值时(内部满载),低通
输出功率的 0.0020%,每相都有防潜动逻辑。
工作方式
芯片工作计算公式
BL6513 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
Freq =
13.25×(U AP ×I A +U BP ×I B +UCP ×IC )×F1−5
2
VREF
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BL6513
三相有功功率计量芯片
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
IA, IB, IC----电流通道的输入电压有效值
VREF----基准电压(2.5±8%)
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 BL6513 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
S0
S1
F1-5
Max Freq On F1/F2
For AC input
CF vs.
F1/F2
Max Freq On CF For
AC input[Hz] ①
1
1
1
0.596
0.48
16
7.8
0
0
0
1.19
0.96
160
153.6
1
0
0
8
7.8
0
0
1
15.626
16
1000
1
0
1
19.65
15.626
8
125
0
1
0
19.07
3.125
160
500
1
1
0
4.77
3.9
16
62.5
0
1
1
76.3
62.5
8
500
①注:电流,电压输入为±500mV AC 信号时 CF 输出。
计算实例
例1
如果 UA、UB、UC、IA、IB、IC 上,输入均为满刻度直流差分电压±500mV,理想输出频
率计算如下:
F1−5 = 0.596 Hz , SCF = S 0 = S1 = 1
V AN = VBN = VCN = IA = IB = IC
= 500mV dc = 0.5V
VREF = 2.5V (典型值,使用片内基准源,由于基准±8%的容限,实际的输出频率可能会因
设备的改变而改变。)
Freq = 3 ×
13.25 × 0.5 × 0.5 × 0.596
= 0.95 Hz
2 .5 2
例2
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:
F1−5 = 0.596 Hz , SCF = S 0 = S1 = 1
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BL6513
三相有功功率计量芯片
U AN = U BN = U CN = IA = IB = IC = 0.5 / 2 V
VREF = 2.5V (典型值)
Freq = 3 ×
13.25 × 0.5 × 0.5 × 0.596
2 × 2 × 2 .5 2
= 0.47 Hz
由上面两例可以看到,当输入电压为满刻度交流信号时,输出频率为输入满刻度直流信
号时输出频率的二分之一。而且最大输出频率与所计算的相数有关。在三相三线制中,最大
输出频率与三相四线制时的最大输出频率不一样,这是因为,在三相三线∆接法中,只有两
相接到模拟输入,在正常情况下,电流通道和电压通道中的信号相位不一致。
应用火路简图
典型应用线路见相关应用资料。
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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8/9/2006
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