新一代智能电能表计量技术及采用计量芯片BL6523A的实现方案

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数字乘法器 精度 启动电流 频率响应 电磁兼容性 时间漂移 功能扩展性 抗外磁场干扰 制造成本 高 小 <10KHz 好 好 好 好 中
时分割乘法器型 一般 小 <10KHz 好 较好 一般 好 低
霍尔乘法器型 一般 一般 0-100KHz 好 较好 一般 差 高
AT0~AT3可选择的数字输出脚
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中断功能
位置 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 其余 中断标志 SAG ZXTO ZX PKIA PKIB PKV REVP APEHF VAPEHF FAULT CHSEL Reversed 默认值 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 描述 指示产生线电压跌落中断 指示产生过零超时中断 指示产生电压波形符号位 指示电流A有效值峰值超过IAPKLVL中断 指示电流B有效值峰值超过IBPKLVL中断 指示电压有效值峰值超过VPKILVL中断 指示有功功率计算发生符号变化 指示WATTHR寄存器[23:0]的第23位变为1（半满） 指示VAHR寄存器[23:0]的第23位变为1（半满） 指示电流AB两通道不平衡 指示计量用通道，0为电流A通道、1为电流B通道 保留
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ADC类型 ADC类型
SAR结构 SAR通过连续时间比较获得接近 输入信号的二进制输出，有着广泛 的应用。 Integrating ADC 用于慢速，精确测量领域，如数 字电压计。可以提供高到22bits的分 辨率，并对高频信号抑制。 Sigma-Delta ADC 在过去几年，Sigma-Delta结构得 到广泛使用，主要应用于高分辨率 AD 转 换 电 路 。 Sigma-Delta 最 大 的 一个优点是能与DSP技术相结合， 应用于Mix-signal电路。 Sigma-Delta转换器通过高速采样 把模拟信号变成1bits的数字流，通 过后续的数字滤波获得高的有效精 度。 优点： 1 高速，每秒可以进行100万 1 在>14bits高分辨率 次转换。 情况下较贵。 2 与其它结构比较，功耗小。 3 在所需要分辨率低的情况下， 比较便宜，特别是12Bits以下。 1 高精度 转换速率低。以牺 2 相当低的功耗 牲转换速率来增加分 3 相当低成本 辨率。典型情况，对 于12bits精度，每秒转 换100~300次。 1 高分辨率，高达20bits 1 如果需要更快的 2 相 对 于 Integrated ADC 和 转换速率，必须采用 VFC，有高的转换速率。 高阶调制器。 3 能在Mixed-signal CMOS电 2 与SAR结构，和 路中提供低成本高精度的解决 Integrating ADC 相 比 ， 方法。 功耗更大。 4 由于采用过采样技术，对前 级抗混叠滤波的要求比较低。
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国网标准的新要求
–单相智能电能表技术规范 单相智能电能表技术规范 – 4.7.3 负载电流升降变差 在功率因数1.0，负荷电流0.01Ib～Imax变化范围内 在功率因数 ，负荷电流 ～ 变化范围内 ，同一只被试样品在相同负载点处的误差变化的绝对值 不应超过0.25% 不应超过 -----宽量程的要求 宽量程的要求
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单相电能计量IC 单相电能计量IC
简单有功计量
• 单相有功计量 单相有功计量IC(ADE7755 、BL6503、ATT7021） 、 ） • 单相有功双通道计量 （ 单相有功双通道计量IC（ ADE7751、BL6501A、 、 、 BL6502） ） • 单相有功双通道、断零检 单相有功双通道、 测计量IC（ 测计量 （ADE7761、 、 BL6504） ） • 内置晶振的计量 iC（ （ ADE71056、BL0930、 、 、 BL6502） ）
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对计量IC 对计量IC的要求 IC的要求
有功功率需要区分正功、负功；有功能量也需要 有功功率需要区分正功、负功； 按正向有功能量、负向有功能量来进行累积； 按正向有功能量、负向有功能量来进行累积； 要能测量电压、火线电流、零线电流的有效值， 要能测量电压、火线电流、零线电流的有效值， 功率因数，（视在功率，工频频率等）； ，（视在功率 功率因数，（视在功率，工频频率等）； 计量IC的可测试范围需要加大；（以 倍表为例 的可测试范围需要加大；（ 计量 的可测试范围需要加大；（以10倍表为例 ，10Ib～0.01Ib测试范围，同时还需要考虑 ～ 测试范围， 测试范围 120%Un，120%Imax，整个测试范围需要 ， ，整个测试范围需要1440 ：1） ） 测量电参数的增加，如何对校表流程进行优化， 测量电参数的增加，如何对校表流程进行优化， 以减少大生产时的调试时间
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级数*
5.0
1.0~2.0 0.2~0.5
20 世 纪 90 年 代
0.05~0. 5
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电能计量IC 电能计量IC技术概述 IC技术概述
基于模拟信号处理的电能计量
采用模拟乘法器(时分割乘法器、霍尔乘法器)对电压和电流信号 进行实时乘积运算得到瞬时功率信号，然后通过滤波器滤除2ω， 3ω，。。。等谐波分量得到平均功率，再经电压频率转换产生 脉冲输出，该方案的典型代表是BL093X系列IC
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新一代计量IC的功能特点及架构 新一代计量 的源自文库能特点及架构
BL6523A的特点 BL6523A的特点
• • • • • • • • • • • • • • • • 高精度，在输入动态工作范围（ 高精度，在输入动态工作范围（1500:1）内，非线性测量误差小于 ） 0.1% 高稳定性，输出频率波动小于0.1% 高稳定性，输出频率波动小于 芯片可精确测量正负两个方向的有功功率，输出快速输出脉冲（ ） 芯片可精确测量正负两个方向的有功功率，输出快速输出脉冲（CF） 芯片有两个电流采样端， 芯片有两个电流采样端，采样火线和零线电流 芯片给出电压和双电流的有效值，可测量测量范围（ 芯片给出电压和双电流的有效值，可测量测量范围（1000:1） ） 芯片具有电压失压和断相检测功能 芯片上有电源电压监测电路， 芯片上有电源电压监测电路，检测掉电状况 芯片具有防潜动功能， 芯片具有防潜动功能，可编程防潜阀值设置 芯片具有可编程调整脉冲输出的频率 芯片具有可编程增益调整和相位补偿 芯片给出功率因子（ ） 芯片给出功率因子（PF） 芯片可按需要给出中断请求信号（ 芯片可按需要给出中断请求信号（/IRQ） ） 芯片具有一个SPI通信接口，用于数据传输 通信接口， 芯片具有一个 通信接口 芯片带参考电压源2.5V，也可使用外部 芯片带参考电压源 ，也可使用外部2.5V电压 电压 芯片外接晶振3.58MHz 芯片外接晶振 芯片单工作电源5V，低功耗25mW（典型值） 芯片单工作电源 ，低功耗 （典型值）
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BL6523A典型应用图 BL6523A典型应用图
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数字输出管脚功能
设置 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 其余 nSAG ZXTO ZX PKIA PKIB PKV REVP APEHF VAPEHF FAULT CHSEL Reversed 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 AT输出 输出 默认值 描述 AT0=FAULT、AT1=REVP、AT2=ZX、AT3=nSAG 1指示产生线电压跌落中断 1指示产生过零超时中断 指示产生电压波形符号位（过零） 1指示电流A有效值峰值超过IAPKLVL中断 1指示电流B有效值峰值超过IBPKLVL中断 1指示电压有效值峰值超过VPKLVL中断 指示有功功率计算发生符号变化（负功） 1指示WATTHR寄存器[23:0]的第23位变为1（半满） 1指示VAHR寄存器[23:0]的第23位变为1（半满） 1指示电流AB两通道不平衡，差值大于设定值 0指示用电流A通道计量，1指示用电流B通道计量 保留
芯片的诞生 使科技化的生活方式 无所不在
新一代智能电能表计量技术及采用计 量芯片BL6523A的实现方案 量芯片BL6523A的实现方案
上海贝岭股份有限公司 黄长江 Huangcj@belling.com.cn 2011年4月12日
内容提要
电能计量IC的发展 电能计量 的发展 国网智能电表对计量IC的要求 国网智能电表对计量 的要求 新一代计量IC的功能特点及架构 新一代计量 的功能特点及架构 设计中需注意的问题 设计举例 贝岭IC在电表中的应用 贝岭 在电表中的应用 贝岭计量IC的质量控制 贝岭计量 的质量控制
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电能计量IC 电能计量IC技术概述 IC技术概述
基于数字信号处理的电能计量
采用两个完全独立的A/D转换器分别对电流和电压通道进行实时采样，然 后采用数字乘法器求出瞬时功率信号，再经过LPF滤除高频量化噪声得到 瞬时实功率信号，由数字积分器对该功率信号积分变成能量信号，最后由 DTF转换为脉冲输出。
多功能
• VRMS、IRMS、P、Q、S 、 、 、 、 、PF、Freq 、 • 正向 、Q、有功能量、无 正向P、 、有功能量、 功能量 • 反向P、Q、有功能量、无 反向P、Q、有功能量、 功能量
数据接口
• • • • •
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SPI UART 单总线 I2C 等等
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电能计量IC的发展 电能计量 的发展
电能计量IC 电能计量IC的发展 IC的发展
时间 1880 1888 1889 1890 20世纪 20 世 纪 80 年 代 发明人 [德]爱迪生 [意]费拉里 斯 [德]布勒泰 电能表的特点 利用电解原理的直流电能表 利用旋转磁场的原理的交流电能 表 无电流铁心的单磁通式的感应系 电能表 带电流铁心的多磁通式的感应式 电能表 感应式电能表的制造理论形成并 得到广泛应用 为提高测量精度,出现电子式电能 表; 出现多种电压电流模拟输入,模拟 乘法的技术方案 加入了大规模数字集成电路. 出现数字乘法,数字滤波为代表的 高精度,高稳定度的电子电能表
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内部框图介绍
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架构说明1 架构说明1
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架构说明2 架构说明2
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国网智能电表对计量IC的要求 国网智能电表对计量 的要求
国网标准的新要求
–单相智能电能表技术规范 单相智能电能表技术规范 – 4.4.1 计量功能 具有正向有功电能、反向有功电能计量功能，能存 具有正向有功电能、反向有功电能计量功能， 储其数据，并可以据此设置组合有功。 储其数据，并可以据此设置组合有功。 -----正向、反向有功判断 正向、 正向 – 4.4.3 测量及监测 能测量、记录、显示当前电能表的电压、电流（ 能测量、记录、显示当前电能表的电压、电流（包 零线电流）、功率、功率因数等运行参数。 ）、功率 括零线电流）、功率、功率因数等运行参数。测量误 引用误差）不超过± 。 差（引用误差）不超过±1%。 -----双电流、功率因数及有效值的功能要求 双电流、 双电流