特点 BL091 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% 校表过程中高稳定性, 输出频率波动小于 0.1% 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 有两个电流采样端, 分别采样火线和零线电流, 取两个电流采样端中的较大值作为计量, 即使在错误用电时 电流通道增益可变, 在电流通道输入端可以使用小的分流电阻 慢速输出脉冲能直接驱动电机工作, 快速输出脉冲可用于计算机数据处理 防窃电功能, 逻辑输出脚 REVP FAULT 用于显示反向用电或者错误用电状况 芯片上有电压检测电路, 检测掉电状况 具有防潜动功能 芯片上带参考电压源.5V±8%( 温度系数典型值 30ppm/ ), 也可以使用外部电压源 片上内置时钟晶振 单工作电源 5V 低功耗 5mW( 典型值 ) 采用 0.35um CMOS 工艺, 批量的一致性和产品可靠性得到进一步提高 BL091 集成电路是电子电度表的核心芯片, 基于此芯片设计的电子电度表具有外围电路简单 精度高 稳定性好等特点, 适用于单相两线电力用户的电能计量 利用 BL091 可以制成单相反窃电功能的电子电度表, 这种电度表以同一方向计量计算正向或负向的有功功率, 累计用电量 BL091 具有两个电流采样端, 分别采样火线和零线电流, 当电流误差超过 1.5% 时, 表明有窃电行为或错误接线,Pin1(FAULT) 发出指示信号, 并按照两个电流中大的一个电流值计量 BL091 基于数字信号处理, 有测量负向有功功率的功能 它能把负向有功功率转换成与正向有功功率方向一致的脉冲输出 Pin14() 输出较高频率的脉冲, 用于计量和计算机数据处理,Pin16 (F1) 和 Pin15(F) 输出较低频率的脉冲用于驱动脉冲电机, 间接驱动机械字轮计度器, 记录用电量 在测量负向功率时 Pin13(REVP) 有负电平输出, 用于指示该时的功率为负方向 BL091 着重考虑了校表过程中读数误差的稳定性的需求, 成品测量数据表明在小信号 5%Ib (Ib=5A) 情况下输出校表脉冲信号的稳定度在 0.1% 以内 相关专利申请中 管脚与框图 VDD VN VP 1 3 4 5 6 BL091 16 15 14 13 1 F1 F REVP FAULT 11 G VP VN 电流采样 电压采样 VREF 基准电压源 模数转换器 模数转换器 高通滤波器 高通滤波器 输入控制 数字乘法器 振荡器 BL091 低通滤波器 VDD 电源检测 数字 频率转换输出控制 FAULT REVP F1 F VREF 7 10 S0 逻辑控制 GND 8 9 S1 G S0 S1 SOP 16 BL091 系统图
管脚描述 BL091 管脚号 符号 说明 1 VDD 电源电压 (5V), 正常工作时电源电压应该保持在 5V±5% 之间,3, 两路电流采样信号的正输入脚 对 端的最大差分输入电压分别为 4 电流采样信号的负输入脚 5,6 VN,VP 电压采样信号的负 正输入脚 最大差分输入电压为 7 VREF 参考电压调整端, 片内基准电压标称值在.5±8%, 温度系数典型值为 30ppm/ C 允许使用外部.5V 电压输入 8 GND 内部电路的接地点 9,10 S1,S0 通过 S1,S0 的组合可以针对不同的电表常数选择不同的输出频率, 为电表设计提供更大的选择范围 11 G 用来选择电流通道的系统增益, 增益选择具体数值见后面 1 FAULT 高电平指示错误用电 当 和 输入信号相差 1.5% 时, 有指示 在 和 恢复平衡后,FAULT 不再指示, 并对输出清零 13 REVP 负向有功功率指示信号, 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 14 高速校验脉冲输出脚, 输出频率正比与瞬时有功功率的大小, 可以有多种选择 16,15 F1,F 低速逻辑脉冲输出脚, 其输出频率正比于平均有功功率的大小,F1 F 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 BL091 计算公式 极限范围 ( T = 5 ) 项目 符号 极值 单位 电源电压 VDD VDD 0.3~7(max) V 输入电压 ( 相对于 GND) Vv VSS0.5 Vv VDD0.5 V 输入电压 ( 相对于 GND) Vi VSS0.5 Vi VDD0.5 V 工作温度 Topr 40~75 贮藏温度 Tstr 55~150 功耗 (SOP16) 400 mw 电参数 (T=5,VDD= 5V, 片内振荡器 ) 测量项目 符号 测量条件 测量点 最小 典型 最大 单位 1 电源电流 I VDD Pin1 5 ma 逻辑输入脚 G, S0,S1 Pin11,9, 10 输入高电平 V IH VDD=5V V 输入低电平 V IL 1 V
BL091 输入电容 C IN 10 pf 3 逻辑输出脚 Pin16,15 F1,F 输出高电平 V OH1 I H =10mA 4.4 V 输出低电平 V OL1 I L =10mA 0.5 V 输出电流 I O1 10 ma 4 逻辑输出脚,REVP,FAULT Pin14,13,1 输出高电平 V OH I H =10mA 4.4 V 输出低电平 V OL I L =10mA 0.5 V 输出电流 I O 10 MA 5 基准参考电压 Vref VDD=5V Pin7.3.5.7 V 温度系数 30 30 60 ppm/ C 6 模拟输入脚,, Pin,3,4, 5,6 VN,VP 最大输入电平 V AIN ±1 V 直流输入阻抗 330 Kohm 输入电容 6 10 pf 7 精度电流通道的非线性测量误差增益为 1 ENL1 电压通道输入 Pin14 0.1 % 增益为 16 ENL16 ; Pin14 0.1 % 电流通道满刻度 动态范围 500:1 内 两个通道相位误差电流超前 37 Pin14 0.1 0.3 % (PF=0.8 容性 ) 电流滞后 60 Pin14 0.1 0.3 % (PF=0.5 感性 ) 8 启动电流 I START Ib=5A,C=300, Pin14 0.%Ib A cosϕ=1 电压通道 ±110mV 电流通道增益为 16 9 正 负向有功功率 ENP Vv=±110mV, Pin14 0.3 % 误差 % V(I)=mV, cosϕ=1 Vv=±110mV, V(I)=mV, cosϕ=1 10 增益误差 Gain error Pin14 ±5 % 11 增益匹配误差 Pin14 0. 1 %
1 电源监控电路检 测电平 ( 掉电检测电 平 ) V down BL091 电源从 3.5V~5V 变 Pin14 3.9 4 4.1 V 化, 电流电压通道满 幅输入 指标说明 1) 非线性误差 % BL091 的电压通道输入固定 Pin6(VP),Pin5 (VN) 之间交流电压 V(V) 为 ±110mV, 功率因数 cosϕ=1, Pin3() 与 Pin4() 之间电压 V(I) 在对应与 5%Ib~800%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 %)/(1Ib 点误差 %)]*100% ) 启动电流在电表常数 C=300, 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 Pin18() 产生脉冲信号的电流回路中的最小交流电流 3) 正 负向有功功率误差 % 在相等的有功功率条件下, 在 V(V)=±110mV V(I) 对应 Ib 点,BL091 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%)/(1ep%)]*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 Pin6(VP) 与 Pin5(VN) 间的电压采样信号 V(V) 与 Pin3() 与 Pin4() 间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) 增益匹配误差同一芯片中, 不同增益选择条件下, 输出信号之间的非线性偏差可以看成系统增益的匹配误差 7) 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, GND=0V, 使用片内基准电压源和片内振荡器, 温度 40~85 C) 参数 数值 说明 t1 144ms F1 和 F 的低电平脉宽, 在低功率时,F1,F 输出定脉宽, 为 144ms 当计量大功率时,F1,F 输出周期小于 550ms 时, F1,F 的脉宽为周期的一半 t F1,F 输出低速脉冲周期, 见 BL091 计算公式 t3 t 周期的一半 F1 下降沿到 F 下降沿之间的时间 t4 71ms 高速输出脉冲 的高电平脉宽, 在计量小功率时, 定脉宽为 71ms 当计量大功率时, 输出周期小于 180ms 时, 的脉宽为周期的一半 当 S=0,S1=S0=1 的高频模式时, 的脉宽为 0us t5 输出高速脉冲频率, 见 与 F1,F 之间关系及 BL091
BL091 计算公式 t6 CLKIN/4 F1,F 之间的最小时间间隔 工作原理 电能计量原理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, 并存在相位差 Ф, 功率为 : p( t) = V cos( wt) I cos( wt Φ) 令 Φ =0 时 : VI p ( t) = (1 cos(wt) 令 Φ 0 时 : p( t) = V cos( wt) I cos( wt Φ) = V cos( wt) [ I cos( wt) cos( Φ) sin( wt)sin( Φ) ] VI = (1 cos(wt))cos( Φ) VI cos( wt)sin( wt)sin( Φ) VI VI = (1 cos(wt))cos( Φ) sin(wt)sin( Φ) p(t) 称为即时功率信号, 理想的 p(t) 只包括两部分 : 直流部分和频率为 ω 的交流部分 前者又称为即时实功率信号 即时实功率是电能表测量的首要对象 电能计量信号流
BL091 I V 电电采采 电电采采 模 模转转 模 模转转 高高滤滤 高高滤滤 模数乘乘乘 低高滤滤 积积 模数 频频转转 F1 F 瞬瞬瞬频瞬瞬 p(t) 瞬瞬瞬瞬频瞬瞬 V*I V*I t p(t)=i(t)*v(t) 其其 v(t)=v*cos(wt) i(t)=i*cos(wt) p(t)= V*I {1cos(wt)} V*I t 在通过对电流电压信号高精度采样及模数转换后, 电流电压信号通过数字乘法器得到瞬态功率信号 p(t) 让 p(t) 通过一个截至频率很低 ( 如 1Hz) 的取直低通滤波器, 把即时实功率信号取出来 然后对该实功率信号对时间进行积分, 得到能量的信息 如果选择积分时间十分的短, 可以认为得到的是即时能量消耗的信息, 也可以认为是即时功率消耗的信息, 因为前后两者成正比关系 如果选择的较长的积分时间, 得到的是平均的能量消耗的信息, 同样也可以认为是平均功率消耗的信息 取直低通滤波器的输出会被送到一个数字 频率转换的模块, 在这里即时实功率会根据要求作长时或短时的积分 ( 即累加计数 ), 转换成与周期性的脉冲信号, 这就是电子电能表的基本输出信号 输出的脉冲信号的频率与能量消耗的大小成正比 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 可以看出计算出的即时实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子 输入的直流成分对测量结果的影响 假设电压和电流输入直流成分分别是 Vos 和 Ios, 且功率因子等于 1( Φ =0 度 ) p(t)=(vcos(wt)vos)*(icosios) =V*I/Vos*IosVos*Icos(wt)Ios*Vcos(wt)(V*I)/*cos(wt) 令 Ios=0 p(t)=(vcos(wt)vos)*(icos0) =V*I/Vos*0Vos*Icos(wt)0*Vcos(wt)(V*I)/*cos(wt) =V*I/Vos*Icos(wt)(V*I)/*cos(wt) 从上面的计算看到 : 如果输入的两路信号同时具有直流成分, 会给即时实功率, 即乘积 的直流部分带来 Vos*Ios 的误差, 还有在 ω 频率处出现 Vos*IIos*V 的分量, 前者必然引起 测量误差, 而后者也会当取直低通滤波器的对 ω 抑制不够时影响即时实功率的输出, 带来大
BL091 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 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 电压通道输入 电压通道允许最大输入差分电压为, 共模电压 100mV 然而, 共模电压为 0V 时效果最好 V1 660mV 最最最最最积电电最 V1 VP VN V V 最最最最最模电电 100mV 660mV 电压通道的典型连接电路如下图所示, 其中, 第一种是用 PT( 电压互感器 ), 第二种是 用电阻分压网络提供电压信号 CT VP VN 火火 零火 Ra Rb 火火 零火 Rv VP 其其 Ra >> RbRv= VN 电流通道输入电流通道有两个电流输入端, 然而, 每一时刻, 只有一个通道用来能量计量 电流通道允许最大输入差分电压为, 共模电压 100mV 然而, 共模电压为 0V 时效果最好
BL091 V1 660mV GAIN 最最最最最积电电最 V1 V 最最最最最模电电 100mV V V1 660mV GAIN 电流通道的典型连接电路下图, 其中, 第一种是用两个 CT( 电流互感器 ) 分别采样火 线和零线的电流,Rb 作为负载电阻用来产生差分信号 /gain, 第二种是用 PT( 电压 互感器 ) 和电阻分压网络提供电压信号 CT Rb GAIN IP IN Rb GAIN CT 火火 零火 Ra Rb 其其 Ra >> RbRv= Rv IP IN Rb GAIN CT 火火 零火 FAULT 检测 BL091 有两个电流采样端, 对火线和零线同时采样, 当两个电流采样端的误差超过 1.5% 时, 表明有窃电行为或错误接线,Pin1(FAULT) 发出指示信号, 并按照两个中大的一个电流计量 上电时,BL091 的输出脉冲与 和 V 的乘积成正比, 如果 和 的误差超过 1.5% 时, FAULT 指示灯在一秒左右变亮, 而且如果 比 大, 那么 BL091 将会选 作为计量 当 大于 时, 作为计量 如果 不断减小, 当 小于 87.5% 时 FAULT 指示会变亮, 此时依然按照 进行计量
0V BL091 FAULT 电电采采 模模转转 < 87.5% 如果开始时 作为计量, 且 不断增加, 当 大于 114% 时,FAULT 指示会变亮, 此时将会按照 进行计量, 并且只有当 大于 114% 时才会重新按照 计量, 但是只要 与 的差值小于 1.5%,FAULT 指示不亮 0V 电电采采 FAULT 模模转转 < 87.5% 工作方式 芯片工作计算公式 BL091 对输入的电压和电流两个通道的输入电压求乘积, 并通过信号处理, 把获取的有功功率信息转换成频率 以低电平有效的方式从 F1,F 脚输出与功率相关的频率信号 实际功率的输出脉冲 (F1,F) 计算公式 3.5 V ( V ) V ( I) gain F Freq = V REF Z Freq 引脚 F1,F 输出脉冲频率 V(V) 电压通道的输入电压的有效值 V(I) 电流通道的输入电压有效值 Gain 电流通道的系统增益, 由 G 的逻辑输入决定 Vref 基准电压 (.5±8%) Fz 由主时钟分频获得, 分频系数由 S0 和 S1 确定 S1 S0 Fz(Hz) 分频关系 0 0 1.7 CLKIN/^1 0 1 3.4 CLKIN/^0 1 0 6.8 CLKIN/^19 1 1 13.6 CLKIN/^18 工作模式选择 Pin9(S1),Pin10(S0) 是 BL091 芯片模式选择管脚, 可以通过接不同的电压 (5V, 0V) 来调整芯片的工作模式,Pin14(),Pin16(F1),Pin15(F) 的输出频率与 Pin9(S1), Pin10(S0) 输入脚关系如下表所示 :
BL091 模式 S1 S0 对 F1,F 的频率比 1 0 0 64 0 1 3 3 1 0 16 4 1 1 8 系统增益选择 通过选择数字输入端 G 的输入电平 (5V 或 0V), 可以调整电流通道的系统增益, 在增 大系统增益的同时, 减小了输入的动态范围, 具体选择见下表 ( 缺省为 0): G1 增益 最大输入差分电压 1 1 0 16 ±41mV 输入及输出范围 电流通道允许最大输入差分电压为, 共模电压 100mV 电压通道允许最大输入差分电压为, 共模电压 100mV 对应允许,F1,F 最高输出频率 : S1 S0 Fz F1,F 最高输出频率 (Hz) 最高输出频率 (Hz) 直流 交流 直流 交流 0 0 1.7 0.68 0.34 64 F1,F=43.5 64 F1,F=1.76 0 1 3.4 1.36 0.68 3 F1,F=43.5 3 F1,F=1.76 1 0 6.8.7 1.36 16 F1,F=43.5 16 F1,F=1.76 1 1 13.6 5.44.7 8 F1,F=43.5 8 F1,F=1.76 封装形式 SOP16 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