BL6502

BL6502 BL6502 特点 特点 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 2.5V±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 25mW（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。 相关专利申请中 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 概述 概述 BL6502 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 BL6502 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。 BL6502 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 12.5%时，表明有窃 电行为或错误接线，Pin15（ FAULT）发出指示信 号，并按照两个电流中大的一个电流值计量。 BL6502 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。Pin18（CF）输出较 高频率的脉冲， 用于计量和计算机数据处理， Pin20 （F1）和 Pin19（F2）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 Pin16（REVP）有负电平输 出，用于指示该时的功率为负方向。 BL6502 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。 管脚与框图 管脚与框图 VDD V1A V1B V1N V2N V2P NC 1 2 3 20 19 F1 F2 CF NC VREF input contron voltage reference internal oscillator AVDD power detector 18 4 17 5 6 BL6502 16 15 REVP FAULT G0 G1 S0 S1 V1A V1B V1N V2P V2N BL6502 high pass filter high pass filter digital multiplic ation low pass filter digital to frequency and output current sampling analog to digital analog to digital 7 8 9 10 14 13 12 11 voltage sampling FAULT REVP CF F1 F2 GND VREF SCF logic contron G0 G1 SCF S0 S1 DIP/SSOP 20 BL6502 系统图 http://www.belling.com.cn -1Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 管脚描述 管脚描述 管脚号 管脚号 1 2， 3 4 5， 6 7 8 9 10 11，12 13，14 15 16 17 18 符号 符号 VDD V1A，V1B V1N V2N，V2P NC GND VREF SCF S1，S0 G1，G0 FAULT REVP NC CF 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 说明 说明 正电源（+5V） ，正常工作时电源电压应该保持在 5V±5%之间。 两路电流采样信号的正输入脚。对 V1N 端的最大差分输入电压分别为 ±660mV。 电流采样信号的负输入脚。 电压采样信号的负、正输入脚。最大差分输入电压为±660mV。 空脚 内部电路的接地点。 参考电压调整端，片内基准电压标称值在 2.5±8%，温度系数典型值为 30ppm/°C。允许使用外部 2.5V 电压输入。 高频校验脉冲选择端，与 S1，S0 组合起来选择 CF 的输出频率，见后面。 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。 用来选择电流通道的系统增益，增益选择具体数值见后面。 高电平指示错误用电。当 V1N 和 V1B 输入信号相差 12.5%时，有指示。 在 V1N 和 V1B 恢复平衡后，FAULT 不再指示，并对输出清零。 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。 空脚。 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。 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、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 BL6502 计算公式。 19，20 F1，F2 极限范围 极限范围 ( T = 25 ℃ ) 项目 电源电压 VDD 输入电压(相对于 GND) 输入电压(相对于 GND) 工作温度 贮藏温度 功耗（DIP20） 符号 VDD Vv Vi Topr Tstr 极值 -0.3~+7(max) VSS+0.5≤Vv≤VDD-0.5 VSS+0.5≤Vi≤VDD-0.5 -20~+70 -55~+150 400 单位 V V V ℃ ℃ mW 电参数 电参数 （T=25℃,VDD= 5V, 片内振荡器) 测量项目 1 电源电流 2 逻辑输入脚 G0,G1,SCF,S0,S1 http://www.belling.com.cn 符号 IVDD 测量条件 测量点 Pin1 Pin14,13 ,12,11,10 最小 2 典型 5 最大 6.5 单位 mA -2Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 输入高电平 输入低电平 输入电容 4 逻辑输出脚 F1,F2 输出高电平 输出低电平 输出电流 5 逻辑输出脚 CF,REVP,FAULT 输出高电平 输出低电平 输出电流 6 基准参考电压 温度系数 7 模拟输入脚 V1A,V1B,V1N V2N,V2P 最大输入电平 直流输入阻抗 输入电容 8 精度 电 流通道的非线性 测量误差 增益为 1 增益为 2 增益为 8 增益为 16 两个通道相位误差 电流超前 37°C (PF=0.8 容性) 电流滞后 60°C (PF=0.5 感性) 9 启动电流 ISTART Ib=5A ,C=3200, cosϕ=1 电压通道±110mV 电流通道增益为 16 10 正、负向有功功 率误差% ENP Vv=±110mV, V(I)=2mV, cosϕ=1 Vv=±110mV, V(I)=2mV, cosϕ=-1 Pin18 Pin18 Pin18 Pin18 ENL1 ENL2 ENL8 ENL16 电压通道输入 ±660mV; 电流通道满刻度 ±660mV 动态范围 500:1 内 Pin18 Pin18 Pin18 Pin18 VAIN Pin2,3,4, 5,6 VOH2 VOL2 IO2 Vref VDD=5V Pin9 IH=10mA IL=10mA VOH1 VOL1 IO1 Pin18,16 ,15 IH=10mA IL=10mA VIH VIL CIN Pin20,19 VDD=5V 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 2 1 10 V V pF 4.4 0.5 10 V V mA 4.4 0.5 10 2.3 30 2.5 30 2.7 60 V V MA V ppm/°C ±1 330 6 10 V Kohm pF 0.1 0.1 0.1 0.1 % % % % 0.1 0.1 0.2%Ib 0.3 0.3 % % A 0.3 % http://www.belling.com.cn -3Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 11 增益误差 12 增益匹配误差 13 电源监控电路检 测电平(掉电检测电 平) 指标说明 1）非线性误差% 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 ±5 1 4 4.1 % % V Gain error Vdown 电源从 3.5V~5V 变 化， 电流电压通道满 幅输入 Pin18 Pin18 Pin18 0.2 3.9 BL6502 的电压通道输入固定 Pin6 V2P）Pin5（V2N） （ ， 之间交流电压 V(V)为±110mV， 功率因数 cosϕ=1， Pin3（V1B）与 Pin4（V1N）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%）/（1+Ib 点误差%）]*100% 2）启动电流 在电表常数 C=3200，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（CF）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，BL6502 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 Pin6（V2P）与 Pin5（V2N）间的电压采样信号 V(V)与 Pin3（V1B）与 Pin4（V1N）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 时序特性 （VDD=5V， GND=0V，片内基准电压源和片内时钟振荡器，温度-20~+70°C） 参数 参数 t1 数值 数值 144ms 说明 说明 F1 和 F2 的低电平脉宽，在低功率时，F1，F2 输出定脉宽， 为 144ms。 当计量大功率时， ， 输出周期小于 550ms 时， F1 F2 F1，F2 的脉宽为周期的一半。 F1，F2 输出低速脉冲周期，见 BL6502 计算公式。 t2 周期的一半 71ms F1 下降沿到 F2 下降沿之间的时间。 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 71ms。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。 -4Total 11 Pages 8/9/2006 t2 t3 t4 http://www.belling.com.cn BL6502 BL6502 t5 t6 CLKIN/4 F1，F2 之间的最小时间间隔。 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 当 SCF=0，S1=S0=1 的高频模式时，CF 的脉宽为 20us。 CF 输出高速脉冲频率，见 CF 与 F1，F2 之间关系及 BL6502 计算公式。 工作原理 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: p (t ) = 令 Φ ≠ 0 时: VI (1 + cos(2 wt ) 2 p (t ) = V cos( wt ) × I cos( wt + Φ ) = V cos( wt ) × [I cos( wt ) cos(Φ) + sin( wt ) sin(Φ )] VI (1 + cos(2 wt )) cos(Φ ) + VI cos( wt ) sin( wt ) sin(Φ) 2 VI VI = (1 + cos(2 wt )) cos(Φ ) + sin(2 wt ) sin(Φ) 2 2 = 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 2ω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 http://www.belling.com.cn -5Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 I 电电 采采 电电 采采 模-模 转转 模-模 转转 高高 滤滤 模数 乘乘乘 V 高高 滤滤 瞬瞬瞬频瞬瞬p(t) V*I p(t)=i(t)*v(t) 其其 v(t)=V*cos(wt) i(t)=I*cos(wt) p(t)= t V*I 2 {1+cos(2wt)} 低高 滤滤 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 CF F1 F2 积积 模数频频 转转 瞬瞬瞬瞬频瞬瞬 V*I 2 V*I 2 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)*(Icos+Ios) =V*I/2+Vos*Ios+Vos*Icos(wt)+Ios*Vcos(wt)+(V*I)/2*cos(2wt) 令 Ios=0 p(t)=(Vcos(wt)+Vos)*(Icos+0) =V*I/2+Vos*0+Vos*Icos(wt)+0*Vcos(wt)+(V*I)/2*cos(2wt) =V*I/2+Vos*Icos(wt)+(V*I)/2*cos(2wt) 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*I+Ios*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 http://www.belling.com.cn -6Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 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±660mV，共模电压 100mV。然而，共模电压为 0V 时效果最好。 V1 +660mV V2P + - 最最最最最积电电最±660mV V1 V2N V2 V2 最最最最最模电电100mV -660mV AGND 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 RF V2P CF RF CF + - ±660mV AGND V2N 火火 零火 AGND AGND Ra CF Rb AGND AGND Rv ±660mV V2P 火火 零火 AGND RF V2N CF AGND AGND + - 其其 Ra >> RF Rb+Rv=RF 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±660mV，共模电压 100mV。然而，共模电压为 0V 时效果最好。 http://www.belling.com.cn -7Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 V1 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 +660mV GAIN V1A + - 最最最最最积电电最±660mV V1 V2 V1N 最最最最最模电电100mV -660mV GAIN V2 V1 - V1B AGND + 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±660mV/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 RF V1A + - Rb ±660mV GAIN CF IP IN V1N AGND Rb ±660mV GAIN RF CF + CT V1B 火火 零火 CF Ra Rb AGND 其其 Ra >> RF Rb+Rv=RF Rv ±660mV V1A + - AGND IP IN Rb V1N AGND ±660mV GAIN RF CF + CT V1B 火火 零火 FAULT 检测 BL6502 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 12.5%时，表明有窃电行为或错误接线，Pin15（FAULT）发出指示信号，并按照两个中大的 一个电流计量。 上电时，BL6502 的输出脉冲与 V1A 和 V2 的乘积成正比，如果 V1A 和 V1B 的误差超 过 12.5％时， FAULT 指示灯在一秒左右变亮，而且如果 V1B 比 V1A 大，那么 BL6502 将 会选 V1B 作为计量。 当 V1A 大于 V1B 时，V1A 作为计量。如果 V1B 不断减小，当 V1B 小于 87.5％V1A 时 FAULT 指示会变亮，此时依然按照 V1A 进行计量。 http://www.belling.com.cn -8Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 V1A V1B 0V 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 V1A V1B V1N V1B < 87.5% V1A FAULT 电电采采 模模转转 如果开始时 V1A 作为计量，且 V1B 不断增加，当 V1B 大于 114％V1A 时，FAULT 指 示会变亮，此时将会按照 V1B 进行计量，并且只有当 V1A 大于 114％V1B 时才会重新按照 V1A 计量，但是只要 V1A 与 V1B 的差值小于 12.5％V1B，FAULT 指示不亮。 V1B V1A 0V V1A V1B V1N V1A < 87.5% V1B FAULT 电电采采 模模转转 工作方式 工作方式 芯片工作计算公式 BL6502 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，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 = 5.74 × V (V ) × V ( I ) × gain × FZ 2 VREF Freq——引脚 F1，F2 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 G0 和 G1 的逻辑输入决定。 Vref——基准电压（2.5±8%） Fz——由主时钟分频获得，分频系数由 S0 和 S1 确定 S1 0 0 1 1 S0 0 1 0 1 Fz(Hz) 1.7 3.4 6.8 13.6 分频关系 CLKIN/2^21 CLKIN/2^20 CLKIN/2^19 CLKIN/2^18 工作模式选择 Pin10（SCF） Pin11（S1） Pin12（S0）是 BL6502 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，Pin18（CF） Pin20（F1） Pin19（F2）的 ， ， http://www.belling.com.cn -9Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 模式 1 2 3 4 5 6 7 8 SCF 1 0 1 0 1 0 1 0 S1 0 0 0 0 1 1 1 1 S0 0 0 1 1 0 0 1 1 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 输出频率与 Pin10（SCF） Pin11（S1） Pin12（S0）输入脚关系如下表所示： ， ， CF 对 F1,F2 的频率比 128 64 64 32 32 16 16 8 系统增益选择 通过选择数字输入端 G0，G1 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 1 1 0 0 G0 1 0 1 0 增益 1 2 8 16 最大输入差分电压 ±660mV ±330mV ±82mV ±41mV 输入及输出范围 电流通道允许最大输入差分电压为±660mV，共模电压 100mV。 电压通道允许最大输入差分电压为±660mV，共模电压 100mV。 对应允许 CF，F1，F2 最高输出频率： SCF S1 S0 Fz F1,F2 最高输出 频率(Hz) 直流 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1.7 1.7 3.4 3.4 6.8 6.8 13.6 13.6 0.68 0.68 1.36 1.36 2.72 2.72 5.44 5.44 交流 0.34 0.34 0.68 0.68 1.36 1.36 2.72 2.72 CF 最高输出频率(Hz) 直流 128×F1,F2=87.04 64×F1,F2=43.52 64×F1,F2=87.04 32×F1,F2=43.52 32×F1,F2=87.04 16×F1,F2=43.52 16×F1,F2=87.04 8×F1,F2=43.52 交流 128×F1,F2=43.52 64×F1,F2=21.76 64×F1,F2=43.52 32×F1,F2=21.76 32×F1,F2=43.52 16×F1,F2=21.76 16×F1,F2=43.52 8×F1,F2=21.76 http://www.belling.com.cn - 10 Total 11 Pages 8/9/2006 BL6502 BL6502 封装形式 封装形式 1、DIP20 集成振荡器单相双电流 集成振荡器 集成振荡器单相双电流 采样电能计量芯片 2、SSOP20 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。 http://www.belling.com.cn - 11 Total 11 Pages 8/9/2006