BL6523A計(jì)量芯片的結(jié)構(gòu)性能及智能電表的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)智能化建設(shè)規(guī)劃，在國(guó)家電網(wǎng)公司“計(jì)量、抄表和收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)研究”項(xiàng)目成果的基礎(chǔ)上，全國(guó)的大多數(shù)電表企業(yè)均設(shè)計(jì)研發(fā)了符合新一代智能電網(wǎng)要求的電度表。在單相電度表的設(shè)計(jì)過程中，由于設(shè)計(jì)周期短，任務(wù)重，各個(gè)廠家對(duì)于設(shè)計(jì)芯片選型、硬件布局等還有待改進(jìn)的地方。本文針對(duì)上海貝嶺股份有限公司最新設(shè)計(jì)的符合國(guó)家電網(wǎng)公司要求的新一代智能電網(wǎng)的計(jì)量芯片BL6523A，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行分析。

BL6523A計(jì)量芯片是結(jié)合國(guó)內(nèi)外計(jì)量要求，集合防竊電技術(shù)、多項(xiàng)專利技術(shù)而設(shè)計(jì)的能實(shí)現(xiàn)包括電壓電流等多種電氣測(cè)量的計(jì)量芯片產(chǎn)品。

BL6523A的性能介紹和結(jié)構(gòu)分析及電氣測(cè)量原理

1.BL6523A的性能介紹

BL6523A是一款高精度、高穩(wěn)定性的計(jì)量芯片，其精度在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍(1500:1)內(nèi)，非線性測(cè)量誤差小于0.1%；穩(wěn)定性高，輸出頻率波動(dòng)小于0.1%。BL6523A可精確測(cè)量正負(fù)兩個(gè)方向的有功功率，輸出快速輸出脈沖(CF)；具有兩個(gè)電流采樣端，采樣火線和零線電流；給出電壓和雙電流的有效值，以及可測(cè)量范圍(1500:1)。

BL6523A還具有電壓失壓和斷相檢測(cè)功能；芯片上有電源電壓監(jiān)測(cè)電路，檢測(cè)掉電狀；具有防潛動(dòng)功能，可編程防潛閥值設(shè)置；同時(shí)具有可編程調(diào)整脈沖輸出的頻率；此外，BL6523A還具有可編程增益調(diào)整和相位補(bǔ)償；給出功率因子(PF)，計(jì)算功率因數(shù)；可按需要給出中斷請(qǐng)求信號(hào)(/IRQ)；提供SPI通信接口，用于數(shù)據(jù)傳輸。

BL6523A帶參考電壓源2.5V，也可使用外部2 . 5V電壓。芯片外接3.58MHz晶振。芯片單工作電源5V，功耗(典型值)低至25mW。

2. BL6523A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)BL6523A的結(jié)構(gòu)

如圖1所示。工作時(shí)，電流信號(hào)和電壓信號(hào)先分別經(jīng)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過采樣濾波器、高通濾波器(HPF)濾去高頻噪聲與直流增益，得到需要的電流采樣數(shù)據(jù)和電壓采樣數(shù)據(jù)。然后將這兩個(gè)數(shù)據(jù)相乘，便得到瞬時(shí)有功功率，接著經(jīng)過低通濾波器，輸出平均有功功率。電流采樣數(shù)據(jù)和電壓采樣數(shù)據(jù)分別通過平方電路、低通濾波器(LPF2)、開平方電路，得到電流有效值和電壓有效值。有功功率通過一定時(shí)間的積分，可獲得有功能量。經(jīng)過數(shù)字信號(hào)的處理，通過SPI 接口輸出多種電氣數(shù)字量。

圖1：BL6523A的結(jié)構(gòu)圖。

3. BL6523A實(shí)現(xiàn)電氣測(cè)量的原理

BL6523A的測(cè)量部分與主MCU共用5V電源系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了電源成本和設(shè)計(jì)。SPI通訊口使用的速率可以在30kHz以上，推薦使用30kHz，節(jié)省了主MCU的工作時(shí)間。主MCU上電復(fù)位后，大約需要延后400ms左右，對(duì)BL6523A計(jì)量芯片進(jìn)行初始化。BL6523A的這種設(shè)計(jì)，可以節(jié)省昂貴的SPI通訊光偶，提高整表的性能。

圖2：BL6523A 與MCU 直接連接的電氣測(cè)量示意圖。

對(duì)于本地費(fèi)控電表在IC卡座可以使用隔離措施。當(dāng)然BL6523A也可以使用傳統(tǒng)的隔離措施，單獨(dú)供電，與控制MCU進(jìn)行隔離。

BL6523A整表方案

整表的電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)， 對(duì)于電表廠來說， 相對(duì)都比較成熟， 本文重點(diǎn)討論計(jì)量芯片BL6523A的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

圖3：智能電表整體方案的功能示意圖。

1. BL6523A的采樣參數(shù)設(shè)計(jì)

控制寄存器(MODE)選擇：例如設(shè)計(jì)電表Un=220V(Un：額定電壓)10(60)A(電流規(guī)格)，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峰值(即有效值4 6 7mVrms ) 。電壓通道需要考慮滿足130%Un的過壓，以及信號(hào)冗余，可通過電阻匹配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(60)A表可采用200~250μΩ錳銅，假設(shè)采用250μΩ錳銅，在Imax=60A電流時(shí)，電流輸入通道的采樣信號(hào)為60A×250μΩ＝15mVrms；根據(jù)電流通道的最大允許輸入信號(hào)467mVrms，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4Ω，電流通道B采用1倍增益。

綜上分析，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，14H(MODE)寫入800H。

2. BL6523A分頻系數(shù)選擇(WA_CFDIV)

電表常數(shù)為1 6 0 0 imp / kWh ，可知在Imax時(shí)對(duì)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280mVrms，1倍增益；電流通道輸入信號(hào)為15mVrms，16倍增益，對(duì)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，有功CF縮放比例寄存器19H(WA_CFDIV)可選擇008H。

表1：BL6523A分頻系數(shù)選擇。

3.BL6523A其他重要寄存器使用

a.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(duì)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)。

b.反向指示閾值設(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(duì)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)。

c.有功誤差調(diào)整

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%。

d.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(duì)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；D6…D0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(cè)試，測(cè)得誤差Err，寄存器值=[int(θ/0.04-1)]&0x80，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。

e.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。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(cè)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(cè)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_Data，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10,000，則有功功率偏置校準(zhǔn)寄存器的值為：10000×0.0045/1.36=33。

f.電壓電流的測(cè)量

在100%Un、標(biāo)準(zhǔn)電流Ib1.0情況下得到IARMS、IBRMS寄存器的值，電流有效值系數(shù)IkA=IARMS/Ib，IkB=IBRMS/Ib。而后用戶可以根據(jù)讀取的IARMS、IBRMS寄存器的值除以IkA、IkB，獲得實(shí)際的電流顯示值。05h，電流A有效值寄存器IARMS；06h，電流B有效值寄存器IBRMS。在100%Un電壓情況下得到VRMS寄存器的值，電壓有效值系數(shù)Uk=VRMS/Un。07h，電壓有效寄存器V_RMS。

g.功率因數(shù)COS∮的測(cè)量，可以直接讀取PF(08)寄存器。

h.有功功率和視在功率測(cè)量，直接讀取相關(guān)寄存器(WATT(0A)，VA(0B))。

4.BL6523A的校準(zhǔn)及初始化過程

第一步，MCU上電，延時(shí)等待400Ms；第二步，對(duì)BL6523A的寫寄存器的初始值依次寫入，完成參數(shù)設(shè)置及芯片初始化。校準(zhǔn)過程包括了A通道有功校準(zhǔn)、B通道有功校準(zhǔn)、電流電壓有效值校準(zhǔn)、有功功率校準(zhǔn)、視在功率校準(zhǔn)等。

BL6 5 2 3A正常工作過程：第一、保證BL6532A初始化過程的正確性。第二、讀取BL6523A的有用信息。第三、監(jiān)控BL6523A的工作狀態(tài)，一般監(jiān)控效驗(yàn)寄存器CHKSUM的正確性。

BL6523A的校表過程如圖4所示。

圖4：BL6523初始化及校準(zhǔn)過程。

圖5：BL6523A 快速校表流程。

5. BL6523使用中需注意的問題

(1)PCB板的地線布置對(duì)電磁干擾的防范很重要；(2)輸入模擬信號(hào)盡量平行對(duì)稱；(3)晶振的放置位置不要靠近PCB板邊。

電表整體性能測(cè)試結(jié)果

電表的誤差從測(cè)試及實(shí)際使用數(shù)據(jù)看，計(jì)量精度完全滿足要求。1.電表能在0.5~1.3Un范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量輸入電壓值。2.測(cè)量電流：輸入電壓220V，使用錳銅測(cè)量能在50mA~100A的范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量，使用互感器方式，可以在10mA~100A的范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量。3.測(cè)量功率：從最大22,000W到最小測(cè)量功率在啟動(dòng)電流狀態(tài)下的4.4W能準(zhǔn)確測(cè)量。4.測(cè)量功率因數(shù)：輸入電壓220V，功率因數(shù)能從Imax(最大電流)到工作電流在200mA被準(zhǔn)確測(cè)量。5.通過測(cè)試，BL6523A對(duì)于EMC的抗干擾能力無論是帶負(fù)載或空載情況下都很強(qiáng)。

結(jié)論

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了BL6523A完全符合國(guó)家電網(wǎng)公司的新一代智能電表的要求標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)異的性能、優(yōu)秀的抗干擾性使硬件設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠，軟件設(shè)計(jì)沿用通用的接口方式，便于電表應(yīng)用工程師的程序設(shè)計(jì)。此外，BL6523A還可以用于其他工業(yè)電氣測(cè)量和民用電氣測(cè)量領(lǐng)域。