新一代智能電能表計(jì)量技術(shù)及采用計(jì)量芯片BL6523A的實(shí)現(xiàn)方案

1、新一代智能電能表計(jì)量技術(shù)及采用計(jì)量芯片BL6523A的實(shí)現(xiàn)方案,上海貝嶺股份有限公司 黃長江 H 2020年7月11日,內(nèi)容提要,電能計(jì)量IC的發(fā)展 國網(wǎng)智能電表對計(jì)量IC的要求 新一代計(jì)量IC的功能特點(diǎn)及架構(gòu) 設(shè)計(jì)中需注意的問題 設(shè)計(jì)舉例 貝嶺IC在電表中的應(yīng)用 貝嶺計(jì)量IC的質(zhì)量控制,2020/7/11,- 2 -,電能計(jì)量IC的發(fā)展,電能計(jì)量IC的發(fā)展,2020/7/11,- 4 -,電能計(jì)量IC技術(shù)概述,基于模擬信號(hào)處理的電能計(jì)量,2020/7/11,- 5 -,采用模擬乘法器(時(shí)分割乘法器、霍爾乘法器)對電壓和電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)乘積運(yùn)算得到瞬時(shí)功率信號(hào)，然后通過濾波器濾除2，3，。等諧

2、波分量得到平均功率，再經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生脈沖輸出，該方案的典型代表是BL093X系列IC,電能計(jì)量IC技術(shù)概述,基于數(shù)字信號(hào)處理的電能計(jì)量,2020/7/11,- 6 -,采用兩個(gè)完全獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器分別對電流和電壓通道進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，然 后采用數(shù)字乘法器求出瞬時(shí)功率信號(hào)，再經(jīng)過LPF濾除高頻量化噪聲得到 瞬時(shí)實(shí)功率信號(hào)，由數(shù)字積分器對該功率信號(hào)積分變成能量信號(hào)，最后由 DTF轉(zhuǎn)換為脈沖輸出。,2020/7/11,- 7 -,ADC類型,2020/7/11,- 8 -,單相電能計(jì)量IC,簡單有功計(jì)量 單相有功計(jì)量IC(ADE7755、BL6503、ATT7021） 單相有功雙通道計(jì)量IC（AD

3、E7751、BL6501A、BL6502） 單相有功雙通道、斷零檢測計(jì)量IC（ADE7761、BL6504） 內(nèi)置晶振的計(jì)量 iC（ADE71056、BL0930、BL6502）,多功能 VRMS、IRMS、P、Q、S、PF、Freq 正向P、Q、有功能量、無功能量 反向P、Q、有功能量、無功能量 數(shù)據(jù)接口 SPI UART 單總線 I2C 等等,2020/7/11,- 9 -,國網(wǎng)智能電表對計(jì)量IC的要求,國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的新要求,單相智能電能表技術(shù)規(guī)范 4.4.1 計(jì)量功能 具有正向有功電能、反向有功電能計(jì)量功能，能存儲(chǔ)其數(shù)據(jù)，并可以據(jù)此設(shè)置組合有功。 -正向、反向有功判斷 4.4.3 測量及監(jiān)測

4、 能測量、記錄、顯示當(dāng)前電能表的電壓、電流（包括零線電流）、功率、功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)。測量誤差（引用誤差）不超過1%。 -雙電流、功率因數(shù)及有效值的功能要求,2020/7/11,- 11 -,國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的新要求,單相智能電能表技術(shù)規(guī)范 4.7.3 負(fù)載電流升降變差 在功率因數(shù)1.0，負(fù)荷電流0.01IbImax變化范圍內(nèi)，同一只被試樣品在相同負(fù)載點(diǎn)處的誤差變化的絕對值不應(yīng)超過0.25% -寬量程的要求,2020/7/11,- 12 -,對計(jì)量IC的要求,有功功率需要區(qū)分正功、負(fù)功；有功能量也需要按正向有功能量、負(fù)向有功能量來進(jìn)行累積； 要能測量電壓、火線電流、零線電流的有效值，功率因數(shù)，（視在功

5、率，工頻頻率等）； 計(jì)量IC的可測試范圍需要加大；（以10倍表為例，10Ib0.01Ib測試范圍，同時(shí)還需要考慮120%Un，120%Imax，整個(gè)測試范圍需要1440：1） 測量電參數(shù)的增加，如何對校表流程進(jìn)行優(yōu)化，以減少大生產(chǎn)時(shí)的調(diào)試時(shí)間,2020/7/11,- 13 -,新一代計(jì)量IC的功能特點(diǎn)及架構(gòu),BL6523A的特點(diǎn),高精度，在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍（1500:1）內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1% 高穩(wěn)定性，輸出頻率波動(dòng)小于0.1% 芯片可精確測量正負(fù)兩個(gè)方向的有功功率，輸出快速輸出脈沖（CF） 芯片有兩個(gè)電流采樣端，采樣火線和零線電流 芯片給出電壓和雙電流的有效值，可測量測量范圍（100

6、0:1） 芯片具有電壓失壓和斷相檢測功能 芯片上有電源電壓監(jiān)測電路，檢測掉電狀況 芯片具有防潛動(dòng)功能，可編程防潛閥值設(shè)置 芯片具有可編程調(diào)整脈沖輸出的頻率 芯片具有可編程增益調(diào)整和相位補(bǔ)償 芯片給出功率因子（PF） 芯片可按需要給出中斷請求信號(hào)（/IRQ） 芯片具有一個(gè)SPI通信接口，用于數(shù)據(jù)傳輸 芯片帶參考電壓源2.5V，也可使用外部2.5V電壓 芯片外接晶振3.58MHz 芯片單工作電源5V，低功耗25mW（典型值）,2020/7/11,- 15 -,內(nèi)部框圖介紹,2020/7/11,- 16 -,架構(gòu)說明1,2020/7/11,- 17 -,架構(gòu)說明2,2020/7/11,- 18 -,

7、BL6523A典型應(yīng)用圖,2020/7/11,- 19 -,數(shù)字輸出管腳功能,2020/7/11,- 20 -,AT0AT3可選擇的數(shù)字輸出腳,中斷功能,2020/7/11,- 21 -,中斷狀態(tài)寄存器（STATUS）、中斷屏蔽寄存器（MASK）,設(shè)計(jì)中需注意的問題,2020/7/11,- 23 -,BL6523A校表流程,2020/7/11,- 24 -,打開寫保護(hù)寄存器3EH WRPROT 寫保護(hù)寄存器3EH寫入55H，允許寫入 整機(jī)參數(shù)設(shè)置 有功功率CF縮小比例 19H WA_CFDIV 通道增益設(shè)置 A通道增益設(shè)置 15H GAIN B通道增益設(shè)置 15H GAIN 電壓通道增益設(shè)置

8、15H GAIN 有功防潛動(dòng)閾值 17H WA_CREEP 反向指示閾值 18H WA_REVP 工作模式設(shè)置 14H MODE 計(jì)量通道選擇 14H MODE0=0;A通道;MODE0=1;B通道； 是否開啟高通濾波器 14H MODE4:2 能量累加模式選擇 14H MODE9:8 電流不平衡閾值設(shè)定 14H 11:10,BL6523A校表流程,通道校準(zhǔn) A通道有功校準(zhǔn) PF=1.0 Ib時(shí)電流A通道增益調(diào)整 2EH IA_CHGN PF=0.5L Ib相位校準(zhǔn) 1EH IA_PHCAL、20H V_PHCAL PF=1.0 5%Ib有功偏置校準(zhǔn) 1AH A_WATTOS B通道有功校準(zhǔn)

9、PF=1.0 Ib 時(shí)電流B通道增益調(diào)整 2FH IB_CHGN PF=0.5L Ib相位調(diào)整 1FH IB_PHCAL、20H VP_HCAL PF=1.0 5%Ib有功功率偏置校準(zhǔn) 1BH B_WATTOS,2020/7/11,- 25 -,BL6523A校表流程,電流、電壓有效值校準(zhǔn) A通道加Ib電流，求出轉(zhuǎn)換系數(shù)IkA=IARMS/Ib； 05H IARMS B通道加Ib電流，求出轉(zhuǎn)換系數(shù)IkB=IBRMS/Ib；06H IBRMS 電壓為100%Un，求出轉(zhuǎn)換系數(shù)Uk=VRMS/Un；07H VRMS 有功功率校準(zhǔn)、視在功率校準(zhǔn) A通道加Ib電流，電壓為100%Un，PF1，求出轉(zhuǎn)換

10、系數(shù)WATT_k=WATT/(Ib*Un)； 0AH WATT A通道加Ib電流，電壓為100%Un，PF1，求出轉(zhuǎn)換系數(shù)VA_k=VA/(Ib*Un)；0BH VA 關(guān)閉寫入 寫保護(hù)寄存器3EH寫入00H（除55H外的任何值），禁止寫入,2020/7/11,- 26 -,BL6523A特殊寄存器,讀出數(shù)據(jù)寄存器3BH 記錄上一次SPI讀出的數(shù)據(jù)；可以用于驗(yàn)證SPI讀操作是否出錯(cuò) 寫入數(shù)據(jù)寄存器3CH 記錄上一次SPI寫入的數(shù)據(jù)；可以用于驗(yàn)證SPI寫操作是否出錯(cuò) 檢驗(yàn)寄存器3DH 對所有可寫校表寄存器的數(shù)值求和；可用于驗(yàn)證校表寄存器是否工作正常 寫保護(hù)設(shè)置寄存器3EH 寫入55H時(shí)，表示允許對

11、可寫寄存器寫操作；可防止校表寄存器寫入錯(cuò)誤值,2020/7/11,- 27 -,BL6523 SPI通信,SPI端口由/CS、SCLK、DIN、DOUT四根信號(hào)線組成 /CS的下降沿使SPI端口復(fù)位，使BL6523處于通信模式（在整個(gè)數(shù)據(jù)傳送期間，/CS保持低電平。在數(shù)據(jù)傳送期間使/CS變?yōu)楦唠娖綄⑼Ｖ箶?shù)據(jù)傳送，并使串行總線處于高阻狀態(tài)） 串行時(shí)鐘（SCLK）由MCU產(chǎn)生，所有的數(shù)據(jù)傳送操作均由SCLK進(jìn)行同步 在SCLK的上升沿從DIN數(shù)據(jù)管腳移入BL6523A 在SCLK的下降沿 數(shù)據(jù)從DOUT數(shù)據(jù)管腳移出BL6523A,2020/7/11,- 28 -,SPI寫操作時(shí)序,15H寄存器寫入

12、AAAH；寫命令字節(jié)的最高兩位為01代表寫操作；數(shù)據(jù)字節(jié)3字節(jié)；32個(gè)SCLK；,2020/7/11,- 29 -,SPI讀操作時(shí)序,讀取15H寄存器；讀命令字節(jié)的最高兩位為00代表讀操作；數(shù)據(jù)字節(jié)3字節(jié)；32個(gè)SCLK；,2020/7/11,- 30 -,SPI操作注意事項(xiàng),BL6523A上電后需要約400mS的復(fù)位時(shí)間，上電完成400mS后再操作SPI端口進(jìn)行讀寫操作； 在/CS片選信號(hào)拉低開始操作SPI端口之前，請確保SCLK、DIN為低電平； 如采用光耦隔離SPI通信，需考慮光耦的轉(zhuǎn)換速率；采用低速光耦時(shí)通信速率控制在9Kbps以下； SPI讀寫操作時(shí)所有的讀寫指令均為32Bit，命令

13、字節(jié)（8Bit）+數(shù)據(jù)（24Bit）如寄存器數(shù)據(jù)位數(shù)不足24Bit，則前面補(bǔ)0；湊足24Bit。如果數(shù)據(jù)為補(bǔ)碼形式，則在補(bǔ)碼前填充0擴(kuò)展到24位。數(shù)據(jù)高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。,2020/7/11,- 31 -,設(shè)計(jì)舉例,應(yīng)用方案設(shè)計(jì)舉例,設(shè)計(jì)參數(shù)：10（60A），電表常數(shù)為1600imp/KWh； BL6523A的電壓、電流輸入通道允許輸入的最大信號(hào)為660mV峰峰值（即467mV rms）， 電壓通道考慮需要滿足130%Un的過壓，以及信號(hào)冗余，可通過電阻匹配將220V AC電壓降至280mV左右，作為電壓通道輸入； 電流A通道考慮錳銅的發(fā)熱，10（60A）表可采用200250微歐錳銅，假設(shè)

14、采用250微歐錳銅，在Imax電流時(shí)，電流輸入通道的采樣信號(hào)為60A*250微歐15mV rms；根據(jù)電流通道的最大允許輸入信號(hào)，電流A通道可采用16倍增益； 電流B通道采用互感器1000：1；負(fù)載電阻4歐，電流通道B采用1倍增益； 電流A通道16倍增益，電流B通道1倍增益，電壓通道1倍增益；增益寄存器15H（GAIN）寫入00FH；,2020/7/11,- 33 -,應(yīng)用方案設(shè)計(jì)舉例,計(jì)算WA_CFNUM系數(shù) 電表常數(shù)為1600imp/kWh；可知在Imax時(shí)對應(yīng)的CF輸出頻率為(220*60*1600)/(3600*1000)=5.87Hz；此時(shí)電壓通道輸入信號(hào)為280mV rms，1倍增

15、益；電流通道輸入信號(hào)為15mV rms，16倍增益；對應(yīng)到電流電壓通道滿幅信號(hào)輸入時(shí)的CF輸出頻率為5.87*467*467/(280*15*16)=19.05Hz.,2020/7/11,- 34 -,有功CF縮放比例寄存器19H（WA_CFDIV）可選擇008H,應(yīng)用方案設(shè)計(jì)舉例,有功防潛動(dòng)閾值設(shè)置 如在Ib，Un情況下，有功功率寄存器0AH的值為249F0H（150000），要求0.4%Ib能正常啟動(dòng)，則可將防潛動(dòng)閾值設(shè)為0.2%Ib對應(yīng)的有功功率，即12CH（300）；有功防潛動(dòng)閾值寄存器設(shè)定值為300/(2*1.36)110（06EH） 反向指示閾值設(shè)置 如在Ib，Un情況下，有功功率

16、寄存器0AH的值為249F0H（150000），要求大于0.4%Ib能指示反相，則可將反相指示閾值設(shè)為0.4%Ib對應(yīng)的有功功率，即258H（600）；反相指示閾值寄存器設(shè)定值為600/（32*1.36)13（00DH）,2020/7/11,- 35 -,有功功率校準(zhǔn),有功誤差調(diào)整 在100%Un，標(biāo)準(zhǔn)電流Ib 1.0下測試，由校表臺(tái)獲得誤差Err， 如Err為負(fù)值，則WATTGN= 如Err為正值，則WATTGN= 2EH電流A通道增益調(diào)整寄存器 A_CHGN； 2FH電流B通道增益調(diào)整寄存器 B_CHGN； 12位寄存器，補(bǔ)碼形式，增益調(diào)整范圍50%；,2020/7/11,- 36 -,相

17、位調(diào)整,相位調(diào)整 相位補(bǔ)償?shù)脑硎菍⒁粋€(gè)小的時(shí)間延時(shí)或超前引入信號(hào)處理電路以對小的相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償， 相位校正寄存器為8位寄存器，D7為使能位，=1時(shí)開啟相位補(bǔ)償；=0時(shí)關(guān)閉相位補(bǔ)償；D6D0 為延時(shí)或超前時(shí)間，2.2us/1LSB。相應(yīng)的分辨率為360（1/450KHz）50Hz=0.04，最大可調(diào)5.08。 在100%Un，標(biāo)準(zhǔn)電流Ib 0.5L下測試，測得誤差Err， 寄存器值=（int（/0.04-1）&0 x80；int為取整操作； 如果Err為正值，改動(dòng)電流通道相位寄存器IAPHCAL、IBPHCAL； 如果Err為負(fù)值，改動(dòng)電壓通道相位寄存器VPHCAL； 1EH 電流A相位校正

18、寄存器 IA_PHCAL； 1FH 電流B相位校正寄存器 IB_PHCAL； 20H 電壓相位校準(zhǔn)寄存器 V_PHCAL；,2020/7/11,- 37 -,小信號(hào)補(bǔ)償調(diào)整,小信號(hào)補(bǔ)償調(diào)整 小電流1.0情況下，如果小信號(hào)精度偏差較大，可通過調(diào)整有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器來修正小信號(hào)偏差。（補(bǔ)碼）， 1AH A通道有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器 A_WATTOS，僅影響A通道有功功率測量； 1BH B通道有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器 B_WATTOS，僅影響B(tài)通道有功功率測量； 均為12位寄存器，補(bǔ)碼形式，可調(diào)整范圍+2047 -2047； 如小信號(hào)情況下，有功功率寄存器WATT（0AH）的數(shù)據(jù)為WATT_Dat

19、a，有功功率誤差為Err，則有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器的值為：int（WATT_Data*（-Err）/1.36）；（int為取整） 舉例如下： 如在5%Ib信號(hào)點(diǎn)的有功功率誤差為-0.45%，有功功率寄存器WATT（0AH）的數(shù)據(jù)為10000，則有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器的值為：10000*0.0045/1.36=33；,2020/7/11,- 38 -,電流、電壓物理量換算,2020/7/11,- 39 -,線電壓頻率、功率因素,2020/7/11,- 40 -,有功功率、視在功率,2020/7/11,- 41 -,硬件設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng),變壓器的磁場泄露對錳銅輸入信號(hào)的影響 PCB板的地線布置對電

20、磁干擾的防范很重要 模擬輸入信號(hào)的差分走線 晶振的放置位置不要靠近PCB板的邊沿,2020/7/11,- 42 -,BL6523A樣表,2020/7/11,- 43 -,BL55070,BL24C256,BL6523A,BL6523A樣表測試數(shù)據(jù),2020/7/11,- 44 -,上述電表使用250微歐的分流器，電表常數(shù)1600imp/KWh.,貝嶺IC在電表中的應(yīng)用,電表系統(tǒng)方框圖,2020/7/11,- 46 -,電表中的貝嶺芯片,2020/7/11,- 47 -,電表中的貝嶺芯片,2020/7/11,- 48 -,電表中的貝嶺芯片,2020/7/11,- 49 -,貝嶺計(jì)量IC的質(zhì)量控制

21、,2020/7/11,- 51 -,R1以公司本身和用戶的角度,R0時(shí)的樣品要有一定數(shù)量,樣品要隨機(jī)抽樣； R1時(shí)需要固定生產(chǎn)線,穩(wěn)定工藝,三卡樣品。,2020/7/11,- 52 -,R0認(rèn)證項(xiàng)目 * 常溫功能性能測試 * 高溫功能性能測試 * 低溫功能性能測試 * 電壓拉偏測試 * 頻率拉偏測試 * ESD和LATCH UP測試 * 在系統(tǒng)上應(yīng)用(可選),2020/7/11,- 53 -,R1文件和樣品 (1) 文件 * R0 Release Note * 生產(chǎn)試制總結(jié)報(bào)告 * 每一工程卡的分析報(bào)告 * 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范 * 產(chǎn)品封裝規(guī)范 * 產(chǎn)品測試規(guī)范 * 產(chǎn)品使用說明書 (2) 樣品 *三卡,每卡不少于100個(gè),三卡總數(shù)不少于350個(gè),卡合格率 不得低50% *可三卡同時(shí)進(jìn)行,也可三卡分別認(rèn)證(則每卡樣品必須滿足各種測試需要),2020/7/11,- 54 -,在一般情況下,全部電參數(shù)測試在大生產(chǎn)測試設(shè)備進(jìn)行,特性參數(shù)分析可在基準(zhǔn)測試設(shè)備上進(jìn)行,性能測試抽樣數(shù)量：,2020/