上海貝嶺BL0910十相交/直流電能計(jì)量芯片：高精度與多功能的完美融合

在電子工程領(lǐng)域，電能計(jì)量芯片是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)電力測(cè)量和監(jiān)控的關(guān)鍵組件。上海貝嶺的BL0910十相交/直流電能計(jì)量芯片憑借其卓越的性能和豐富的功能，為5G基站、數(shù)據(jù)中心等眾多應(yīng)用場(chǎng)景提供了可靠的解決方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款芯片。

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產(chǎn)品簡(jiǎn)述：高性價(jià)比的多通道計(jì)量方案

BL0910是一顆內(nèi)置時(shí)鐘多路免校準(zhǔn)電能計(jì)量芯片，最多可實(shí)現(xiàn)10相交/直流電能計(jì)量，適用于5G基站直流檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)中心PDU、5G基站宏單元多回路電表、配電柜、多路故障檢測(cè)等應(yīng)用。它集成了11路高精度Sigma - Delta ADC，可同時(shí)測(cè)量11路信號(hào)（電流或電壓），能夠測(cè)量電流、電壓有效值、有功功率、有功電能量等參數(shù)，還具備快速電流有效值輸出（用于漏電監(jiān)控、過(guò)流保護(hù)等故障檢測(cè)）、溫度檢測(cè)、波形輸出等功能，并通過(guò)UART或高速SPI接口輸出數(shù)據(jù)，充分滿足物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集的需要。此外，芯片出廠通道測(cè)量誤差校準(zhǔn)到<1%，在整機(jī)不校準(zhǔn)情況下，外部使用高精度采樣電阻時(shí)，整機(jī)測(cè)量誤差小于2%；若需要滿足高精度測(cè)量需求（整機(jī)誤差<0.3%），則需要整機(jī)校準(zhǔn)。

基本特征：高精度與多功能并存

主要特點(diǎn)

• 多通道計(jì)量：支持10路電能計(jì)量模式，共用1路電壓，分別與10路電流產(chǎn)生10路電能計(jì)量。
• 高精度測(cè)量：在輸入動(dòng)態(tài)范圍（5000:1）內(nèi)，有功電能非線性測(cè)量誤差小于0.1%；電壓和電流的有效值，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍（2500:1）內(nèi)，有效值誤差小于0.1%。
• 波形處理靈活：對(duì)于輸入波形，可通過(guò)選擇不同濾波器，獲得全波、基波或直流有效值及功率。
• 直流測(cè)量可選：可選直流信號(hào)測(cè)量，輸入動(dòng)態(tài)范圍2000:1，測(cè)量誤差<±1%。
• 免校表設(shè)計(jì)：批次出廠增益誤差小于1%，外圍采用高精度電阻、電容可免校表，滿足二級(jí)表需求。
• 豐富功能集成：內(nèi)置波形寄存器用于波形分析；具備漏電監(jiān)控功能，可測(cè)量1mA以上漏電，響應(yīng)時(shí)間最快10mS，漏電監(jiān)控閾值及響應(yīng)時(shí)間可設(shè)置；每路過(guò)流輸出指示，過(guò)流閥值可設(shè)置，響應(yīng)時(shí)間可設(shè)置；內(nèi)置溫度傳感器，測(cè)量范圍 -40℃~85℃，測(cè)量精度±2℃，滿足產(chǎn)品本身過(guò)溫監(jiān)控、室溫測(cè)量等需求；可分析負(fù)載形式；內(nèi)置有功、能量、電流/電壓有效值及夾角寄存器；支持UART /SPI輸出；具備防潛動(dòng)設(shè)計(jì)，確保無(wú)電流時(shí)噪聲切除；電源掉電監(jiān)測(cè)，低于2.7V時(shí)芯片復(fù)位；內(nèi)置基準(zhǔn)參考電壓源和振蕩電路，時(shí)鐘約8MHz；單工作電源3.3V，低功耗40mW（典型值），采用LQFP48封裝。

系統(tǒng)框圖與管腳排列

系統(tǒng)框圖展示了芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)PGA Σ - ΔADC、DSP、溫度傳感器、基準(zhǔn)電壓源等模塊，各模塊協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和相關(guān)功能。管腳排列（LQFP48）詳細(xì)說(shuō)明了每個(gè)管腳的功能和用途，如溫度檢測(cè)端、基準(zhǔn)電壓輸入輸出端、電流和電壓通道差分輸入端、SPI和UART通訊腳等，為工程師進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)提供了清晰的參考。

性能指標(biāo)

電參數(shù)性能指標(biāo)涵蓋了有功功率測(cè)量誤差、無(wú)功功率測(cè)量誤差、通道間相角引起的測(cè)量誤差、AC和DC電源抑制、電壓和電流有效值測(cè)量精度、模擬輸入和邏輯輸入輸出的相關(guān)參數(shù)、電源電壓和功耗等方面。極限范圍規(guī)定了電源電壓、模擬輸入和輸出電壓、數(shù)字輸入和輸出電壓、工作溫度、貯藏溫度和功耗的極值，確保芯片在安全可靠的范圍內(nèi)工作。

工作原理：精準(zhǔn)計(jì)量的核心奧秘

電流電壓波形產(chǎn)生原理

芯片共有11路相同結(jié)構(gòu)的高精度ADC，采用雙端差分信號(hào)輸入。輸入信號(hào)通過(guò)模擬模塊放大器（PGA）和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）轉(zhuǎn)換后的PDM碼傳輸給數(shù)字模塊，數(shù)字模塊經(jīng)過(guò)相位校準(zhǔn)、降采樣濾波器（SINC）、可選高通濾波器（HPF）或基波低通濾波器或取直流低通濾波器后，通過(guò)增益及偏置校正等模塊，得到需要的電流波形數(shù)據(jù)和電壓波形數(shù)據(jù)。11通道的PGA增益可調(diào)，具體設(shè)置見通道PGA增益調(diào)整寄存器說(shuō)明。同時(shí)，還涉及相位補(bǔ)償、通道偏置校正和通道增益校正等環(huán)節(jié)，以確保波形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

有功功率計(jì)算原理

電流和電壓波形通過(guò)數(shù)字乘法，然后依順序經(jīng)過(guò)低通濾波器、增益和偏差校準(zhǔn)、防潛動(dòng)判斷及平均處理后獲得功率信號(hào)。每個(gè)通道都可分別選擇有功波形，通過(guò)用戶模式寄存器MODE1進(jìn)行設(shè)置。對(duì)應(yīng)10路電流分別乘以1路電壓，獲得10路功率信號(hào)，可通過(guò)add_sel寄存器設(shè)置總有功功率的加法方式（絕對(duì)值加或代數(shù)和加）。此外，還包括有功功率校準(zhǔn)、有功功率的防潛動(dòng)和有功功率小信號(hào)補(bǔ)償?shù)裙δ?，以提高有功功率測(cè)量的準(zhǔn)確性。

有功能量計(jì)量原理

提供10通道的電能脈沖累計(jì)，每個(gè)通道的有功功率通過(guò)一段時(shí)間的積分，獲得這段時(shí)間有功能量，并進(jìn)一步把能量轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)頻率校驗(yàn)脈沖CF。對(duì)CF脈沖的計(jì)數(shù)可以獲得能量（用電量），存放在相應(yīng)的能量累計(jì)寄存器中?？赏ㄟ^(guò)MODE3寄存器選擇CF管腳輸出電能脈沖，以及設(shè)置總能量的相加方式（代數(shù)和加或絕對(duì)值加），還可通過(guò)CF_DIV寄存器設(shè)置能量累計(jì)的快慢。

電流電壓有效值計(jì)算原理

每個(gè)通道的原始波形經(jīng)過(guò)平方電路、有效值低通濾波器、開根電路，得到有效值的瞬時(shí)值，再經(jīng)過(guò)平均得到每個(gè)通道的平均值。有效值輸出存于相應(yīng)的寄存器中，可通過(guò)設(shè)置MODE2寄存器選擇有效值計(jì)算輸入波形、有效值平均刷新時(shí)間。同時(shí)，包含有效值校準(zhǔn)和有效值的防潛動(dòng)功能，確保有效值測(cè)量的準(zhǔn)確性。

快速漏電/過(guò)流檢測(cè)原理

11個(gè)通道均有快速有效值寄存器，可檢測(cè)半周波或周波有效值，用于漏電或過(guò)流檢測(cè)。輸入波形通過(guò)取絕對(duì)值，然后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)積分，獲得快速有效值，該值與預(yù)先設(shè)定的閾值比較，超出則給出標(biāo)志?？赏ㄟ^(guò)相關(guān)寄存器設(shè)置快速有效值輸入選擇、累計(jì)時(shí)間和閾值、電網(wǎng)頻率等參數(shù)，還具備快速有效值超限數(shù)據(jù)保存、過(guò)流指示和繼電器控制等功能。

無(wú)功計(jì)算

無(wú)功只計(jì)算1相，通過(guò)寄存器選擇需要計(jì)算的那一相位（10路和合相），缺省計(jì)算基波無(wú)功。電流和電壓波形通過(guò)Hillbert濾波器后，再進(jìn)行數(shù)字乘法，然后依順序經(jīng)過(guò)低通濾波器、增益和偏差校準(zhǔn)、防潛動(dòng)判斷及平均處理后獲得無(wú)功功率信號(hào)，經(jīng)過(guò)積分后獲得無(wú)功能量脈沖累計(jì)。包括無(wú)功功率輸出、校準(zhǔn)、防潛動(dòng)、小信號(hào)補(bǔ)償、無(wú)功能量輸出和輸入選擇等功能。

視在和功率因子計(jì)算

視在功率只計(jì)算1相，通過(guò)寄存器選擇需要計(jì)算的那一相位（10路），功率因子也只計(jì)算一相。電流和電壓有效值進(jìn)行數(shù)字乘法，然后依順序經(jīng)過(guò)增益和偏差校準(zhǔn)獲得無(wú)功功率信號(hào)，經(jīng)過(guò)積分后獲得無(wú)功能量脈沖累計(jì)。有功功率除以視在功率可獲得功率因子。包括視在功率和能量輸出、校準(zhǔn)以及功率因子的計(jì)算等功能。

溫度計(jì)量

提供內(nèi)部測(cè)溫和片外測(cè)溫，外部和內(nèi)部測(cè)溫讀數(shù)分別存于TPS1和TPS2兩個(gè)寄存器中，并給出了內(nèi)部測(cè)溫公式和外部測(cè)溫的相關(guān)說(shuō)明。

電參數(shù)計(jì)量

包括線周期計(jì)量、線頻率計(jì)量、相角計(jì)算和功率符號(hào)位等功能。線周期計(jì)量具有線周期能量累計(jì)計(jì)算器，線周期的周期數(shù)可通過(guò)LINECYC寄存器選擇；線頻率計(jì)量根據(jù)電壓輸入通道信號(hào)進(jìn)行測(cè)試；相角計(jì)算通過(guò)計(jì)算電流和電壓的正向過(guò)零之間的時(shí)間差得到相位差；功率符號(hào)位指示每個(gè)CF的方向，表明對(duì)應(yīng)累計(jì)能量的方向（用電或供電）。

故障檢測(cè)

具備過(guò)零檢測(cè)、峰值超限、線電壓跌落、過(guò)零超時(shí)、電源供電指示和ADC關(guān)斷等故障檢測(cè)功能。過(guò)零檢測(cè)可輔助在過(guò)零點(diǎn)關(guān)斷繼電器，減少繼電器黏連現(xiàn)象；峰值超限可通過(guò)編程方式設(shè)定電流和電壓有效值的門限值；線電壓跌落可通過(guò)編程指示，當(dāng)線電壓有效值低于某一峰值的時(shí)間超過(guò)一定半周期數(shù)時(shí)給出指示；過(guò)零超時(shí)可檢測(cè)過(guò)零信號(hào)超時(shí)情況；電源供電指示可連續(xù)檢測(cè)模擬電源，保證設(shè)備在電源上電掉電時(shí)保持正確操作；ADC關(guān)斷可通過(guò)寄存器控制11個(gè)通道ADC的使能，降低功耗。

內(nèi)部寄存器：配置與控制的關(guān)鍵

電參量寄存器

包含波形寄存器、有效值寄存器、快速有效值寄存器、有功功率寄存器、無(wú)功功率寄存器、視在功率寄存器、電能脈沖計(jì)數(shù)寄存器、波形夾角寄存器、快速有效值保持寄存器、功率因數(shù)寄存器和線電壓頻率寄存器等，用于存儲(chǔ)和讀取各種電參量數(shù)據(jù)。

校表寄存器（外部寫）

用于對(duì)芯片進(jìn)行校準(zhǔn)和設(shè)置，包括通道PGA增益調(diào)整寄存器、相位校正寄存器、有效值增益調(diào)整寄存器、有效值偏置校正寄存器、有功小信號(hào)補(bǔ)償寄存器、無(wú)功小信號(hào)補(bǔ)償寄存器、防潛動(dòng)閾值寄存器、快速有效值相關(guān)設(shè)置寄存器、過(guò)流報(bào)警及控制寄存器、ADC使能控制寄存器、能量讀后清零設(shè)置寄存器、用戶寫保護(hù)設(shè)置寄存器和軟復(fù)位寄存器等。

OTP寄存器

存儲(chǔ)一些重要的校準(zhǔn)參數(shù)，如通道增益調(diào)整寄存器、通道偏置調(diào)整寄存器、有功功率增益調(diào)整寄存器、有功功率偏置調(diào)整寄存器、無(wú)功功率增益調(diào)整寄存器、無(wú)功功率偏置調(diào)整寄存器、視在功率增益調(diào)整寄存器、視在功率偏置調(diào)整寄存器、CF縮放比例寄存器等。

模式寄存器

包括模式寄存器1（MODE1）、模式寄存器2（MODE2）和模式寄存器3（MODE3），用于設(shè)置芯片的工作模式，如有功波形選擇、有效值波形選擇、快速有效值選擇、無(wú)功電流計(jì)量通道選擇、電能脈沖輸出選擇等。

中斷狀態(tài)寄存器（STATUS1/STATUS2）

用于記錄各種中斷狀態(tài)，如線電壓跌落、過(guò)零超時(shí)、通道過(guò)零信號(hào)、通道峰值超限信號(hào)等。

通訊接口：數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?/h2>

SPI接口

采用從模式，半雙工通訊，最大通訊速率1.5M，8 - bit數(shù)據(jù)傳輸，MSB在前，LSB在后，固定時(shí)鐘極性/相位（CPOL = 0，CPHA = 1）。介紹了工作模式、幀結(jié)構(gòu)、讀出操作時(shí)序、寫入操作時(shí)序和容錯(cuò)機(jī)制等內(nèi)容，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

UART接口

通過(guò)管腳SEL選擇，通信波特率為4800bps/9600bps/19200bps/38400bps，無(wú)校驗(yàn)，停止位1。CS和SCLK管腳作為波特率設(shè)置管腳。詳細(xì)說(shuō)明了每個(gè)字節(jié)格式、讀取時(shí)序、寫入時(shí)序和保護(hù)機(jī)制，保證UART通信的可靠性。

典型應(yīng)用圖與封裝信息

典型應(yīng)用圖展示了芯片在實(shí)際應(yīng)用中的電路連接方式，對(duì)于1U10I應(yīng)用，每個(gè)電流通道外部線路圖相同，電壓通道需要信號(hào)分壓。封裝信息介紹了芯片的訂單信息（LQFP48封裝）、濕敏等級(jí)（MSL 3）、質(zhì)保期（兩年）、包裝方式（盤裝）以及封裝外觀的尺寸參數(shù)，為工程師進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和選型提供了全面的參考。

上海貝嶺的BL0910十相交/直流電能計(jì)量芯片以其高精度、多功能和豐富的配置選項(xiàng)，為電子工程師在電能計(jì)量和監(jiān)控領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的解決方案。無(wú)論是在5G基站、數(shù)據(jù)中心還是其他電力應(yīng)用場(chǎng)景中，BL0910都能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，幫助工程師實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電力測(cè)量和有效的故障檢測(cè)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理配置芯片的寄存器和參數(shù)，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。你在使用類似電能計(jì)量芯片時(shí)遇到過(guò)哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。