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