上海貝嶺BL0940：內(nèi)置時(shí)鐘免校準(zhǔn)計(jì)量芯片的全方位解析

在電子設(shè)備的電能計(jì)量領(lǐng)域，芯片的性能和功能至關(guān)重要。上海貝嶺的BL0940內(nèi)置時(shí)鐘免校準(zhǔn)計(jì)量芯片，憑借其出色的特性和豐富的功能，在單相多功能電能表、智能插座、智能家電、電動(dòng)自行車充電樁等應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款芯片。

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一、產(chǎn)品簡(jiǎn)述

1.1 功能簡(jiǎn)介

BL0940是一顆專為電能計(jì)量設(shè)計(jì)的芯片，它集成了2路高精度Sigma - Delta ADC、參考電壓、電源管理等模擬電路模塊，以及處理有功功率、電流電壓有效值等電參數(shù)的數(shù)字信號(hào)處理電路。該芯片能夠測(cè)量電流、電壓有效值、有功功率、有功電能量等參數(shù)，還可輸出快速電流有效值用于過(guò)流保護(hù)，以及進(jìn)行溫度檢測(cè)和波形輸出等功能，并通過(guò)UART/SPI接口輸出數(shù)據(jù)，能充分滿足多個(gè)領(lǐng)域的用電信息采集需求。此外，它具有專利防潛動(dòng)設(shè)計(jì)，可確保在無(wú)電流時(shí)噪聲功率不被計(jì)入電能脈沖。

1.2 主要特點(diǎn)

• 高精度ADC：擁有兩路獨(dú)立的Sigma - Delta ADC，分別用于電流和電壓測(cè)量。
• 寬測(cè)量范圍：電流有效值范圍為10mA - 35A（@1mohm），有功電能范圍為1w - 7700w（@1mohm@220V）。
• 多參數(shù)輸出：可輸出電流、電壓有效值，快速電流有效值，有功功率，電流電壓波形相角等。
• 免校準(zhǔn)特性：批次出廠增益誤差小于1%，在外圍元件滿足一定條件下可以免校準(zhǔn)。
• 過(guò)流監(jiān)控：電流通道具備過(guò)流監(jiān)控功能，監(jiān)控閾值及響應(yīng)時(shí)間可設(shè)置。
• 過(guò)零信號(hào)輸出：提供電壓過(guò)零信號(hào)輸出。
• 波形分析：內(nèi)置波形寄存器，可輸出波形數(shù)據(jù)用于負(fù)載類型分析。
• 溫度傳感器：集成溫度傳感器，滿足產(chǎn)品本身過(guò)溫監(jiān)控、大電流節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)溫度報(bào)警、環(huán)境溫度測(cè)量等需求。
• 通信方式：集成SPI（最快速率支持900KHz）/UART（4800bps）通信方式。
• 電源監(jiān)測(cè)：具備電源掉電監(jiān)測(cè)功能，低于2.7V時(shí)，芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。
• 內(nèi)置參考電壓：內(nèi)置1.218V參考電壓源。
• 低功耗設(shè)計(jì)：芯片單工作電源3.3V，低功耗10mW（典型值），采用TSSOP14封裝。

1.3 系統(tǒng)框圖

BL0940的系統(tǒng)框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括電源模塊、ADC模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊（DSP）等。VDD為電源輸入，內(nèi)部有LDO進(jìn)行電源管理，時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)振蕩電路產(chǎn)生。電流和電壓信號(hào)分別經(jīng)過(guò)PGA放大和SDM模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入DSP進(jìn)行處理，同時(shí)還有溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

1.4 封裝與管腳描述

BL0940采用TSSOP14封裝，各管腳功能明確。VDD為電源管腳（+3.3V），VT用于外部溫度傳感器信號(hào)輸入，IP1和IN1為電流通道的模擬輸入，VP和VN為電壓信號(hào)輸入端，GND為芯片地，ZX為電壓過(guò)零指示，CF為電能脈沖輸出，SEL用于UART/SPI通信模式選擇，SCLK為SPI方式時(shí)鐘輸入，RX/SDI和TX/SDO為UART/SPI復(fù)用管腳，VPP保留。

1.5 寄存器列表

BL0940的寄存器分為電參量寄存器（只讀）和用戶操作寄存器（讀寫）。電參量寄存器用于存儲(chǔ)電流快速有效值、電流波形、電壓波形、電流有效值、電壓有效值、有功功率、有功電能脈沖計(jì)數(shù)、電流電壓波形相角、內(nèi)部溫度檢測(cè)、外部溫度檢測(cè)等數(shù)據(jù)；用戶操作寄存器用于控制電流快速有效值、電流有效值小信號(hào)校正、功率小信號(hào)校正、有功功率防潛、用戶模式選擇、軟復(fù)位、用戶寫保護(hù)設(shè)置、溫度模式控制、外部溫度傳感器增益系數(shù)校正、外部溫度傳感器偏移系數(shù)校正等功能。

1.6 特殊寄存器說(shuō)明

• 用戶模式選擇寄存器（0x18 MODE）：可設(shè)置有效值寄存器刷新時(shí)間（400ms或800ms）、交流電頻率（50Hz或60Hz）、CF管腳輸出功能等。
• 溫度模式控制寄存器（0x1B TPS_CTRL）：可控制測(cè)溫開關(guān)、報(bào)警開關(guān)、測(cè)溫選擇、測(cè)溫時(shí)間間隔、外部測(cè)溫報(bào)警閾值等。

1.7 性能指標(biāo)

1.7.1 電參數(shù)性能

在特定條件下（VDD = 3.3V，GND = 0V，片上基準(zhǔn)電壓源，內(nèi)置晶振，25℃，電能通過(guò)CF輸出進(jìn)行測(cè)量），BL0940的電參數(shù)性能表現(xiàn)出色。電源電壓范圍為3.0 - 3.6V，功耗為3mA，輸入動(dòng)態(tài)范圍為4000:1，有功電能測(cè)量精度在不同輸入電流范圍有所不同（大信號(hào)時(shí)為0.2%，小信號(hào)時(shí)為0.4%，微小信號(hào)時(shí)為0.6%），有效值測(cè)量精度也因輸入電流范圍而異（大信號(hào)時(shí)為0.2%，小信號(hào)時(shí)為2%，微小信號(hào)時(shí)為6%），快速有效值響應(yīng)時(shí)間在50Hz時(shí)為10 - 40ms，60Hz時(shí)為8.3 - 33ms，過(guò)零信號(hào)輸出延時(shí)為571uS，通道間相角引起的測(cè)量誤差在PF = 0.8（容性）和PF = 0.5（感性）時(shí)均為0.5%，AC和DC電源抑制均為0.1%。模擬輸入電平（電流峰值為50mV，電壓峰值為200mV），模擬輸入阻抗為370kΩ，SEL下拉電阻為56.9kΩ，模擬輸入帶寬為3.5kHz，內(nèi)部電壓基準(zhǔn)為1.218V，邏輯輸入高電平為2.6V，邏輯輸入低電平為0.8V，邏輯輸出高電平為VDD - 0.5V，邏輯輸出低電平為0.5V。

1.7.2 極限范圍

電源電壓范圍為 - 0.3 - +4V，模擬輸入電壓（相對(duì)于GND）為 - 4 - +4V，數(shù)字輸入電壓（相對(duì)于GND）為 - 0.3 - VDD + 0.3V，數(shù)字輸出電壓（相對(duì)于GND）為 - 0.3 - VDD + 0.3V，工作溫度范圍為 - 40 - +105℃，貯藏溫度范圍為 - 55 - +150℃。

二、功能描述

2.1 電流電壓瞬態(tài)波形計(jì)量

電流和電壓信號(hào)分別通過(guò)模擬模塊的放大器（PGA）和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）得到兩路1bit PDM信號(hào)，然后進(jìn)入數(shù)字模塊，經(jīng)過(guò)降采樣濾波器（SINC3）、高通濾波器（HPF）、通道偏置校正等模塊，得到電流波形數(shù)據(jù)和電壓波形數(shù)據(jù)（I_WAVE，V_WAVE）。采集到的負(fù)載電流和電壓波形數(shù)據(jù)以7.8k的速率更新，每個(gè)采樣數(shù)據(jù)為24bit有符號(hào)數(shù)，并存入波形寄存器。

2.2 有功功率

有功功率通過(guò)公式 (WATT =frac{4046 I(A) V(V) * COS(varphi)}{V r e f^{2}}) 計(jì)算，其中 (I(A)) 和 (V(V)) 為通道管腳輸入信號(hào)的有效值（mV），φ 為I(A)、V(V)交流信號(hào)的相位夾角，Vref為內(nèi)置基準(zhǔn)電壓，典型值為1.218V。有功功率寄存器（0x08 WATT）的Bit[23]為符號(hào)位，用于表示當(dāng)前有功功率是正功還是負(fù)功。

2.3 有功功率偏置校準(zhǔn)

BL0940包含一個(gè)8位的有功功率校正寄存器（WATTOS），以2的補(bǔ)碼形式的數(shù)據(jù)來(lái)消除電能計(jì)量時(shí)的有功功率偏差。偏差校正可以使有功功率寄存器中的值在無(wú)負(fù)載情況下接近0。

2.4 有功功率的防潛動(dòng)

BL0940具有專利功率防潛功能，通過(guò)有功防潛動(dòng)閾值寄存器（WA_CREEP）來(lái)保證無(wú)電流輸入時(shí)板級(jí)噪聲功率不會(huì)累積電量。當(dāng)輸入有功功率信號(hào)絕對(duì)值小于該閾值時(shí)，輸出有功功率設(shè)為0。

2.5 電能計(jì)量

BL0940提供電能脈沖計(jì)量，有功瞬時(shí)功率通過(guò)一段時(shí)間的積分獲得有功能量，并輸出校驗(yàn)脈沖CF。CFCNT寄存器保存輸出電能脈沖CF的個(gè)數(shù)，CF的周期小于180ms時(shí)為50%占空比的脈沖，大于等于180ms時(shí)高電平固定脈寬90ms。每個(gè)CF脈沖的累積時(shí)間 (t{CF}=frac{1638.4 * 256}{W A T T})。

2.6 電流電壓有效值

電流和電壓有效值通過(guò)平方電路、低通濾波器、開根電路得到瞬時(shí)值，再經(jīng)過(guò)平均得到平均值（I_RMS和V_RMS）?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置MODE[8].RMS_UPDAT_SEL選擇有效值平均刷新時(shí)間為400ms或800ms，默認(rèn)400ms。當(dāng)通道處于防潛狀態(tài)時(shí)，該電流通道的有效值為零。

2.7 電流電壓有效值偏置校準(zhǔn)

BL0940包含一個(gè)8位有效值偏置寄存器（I_RMSOS），以2的補(bǔ)碼形式的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整有效值計(jì)算中出現(xiàn)的偏差，使有效值寄存器中的值在無(wú)負(fù)載情況下接近0。

2.8 過(guò)流檢測(cè)

BL0940的快速有效值寄存器可檢測(cè)半周波或周波有效值，用于過(guò)流檢測(cè)。通過(guò)I_FAST_RMS_CTRL快速有效值控制寄存器可選擇刷新時(shí)間為半周波或周波，并設(shè)定快速有效值閾值（即過(guò)流閾值）。當(dāng)I_FAST_RMS寄存器的Bit[23:9]大于等于設(shè)置的閾值時(shí)，過(guò)流報(bào)警輸出指示管腳（CF）輸出高電平。

2.9 相角計(jì)算

BL0940可用于相角測(cè)量，通過(guò)電流和電壓的正向過(guò)零時(shí)間差計(jì)算相間角CORNER，寄存器是16位無(wú)符號(hào)數(shù)。相角換算公式為 (2 pi CORNER * frac{f{c}}{f{0}})，其中 (f{c}) 是交流信號(hào)源的測(cè)量頻率，默認(rèn)是50Hz， (f{0}) 是采樣頻率，典型值是1MHz。

2.10 過(guò)零檢測(cè)

BL0940提供電壓過(guò)零檢測(cè)，由引腳ZX直接輸出過(guò)零信號(hào)，ZX為零表示波形正半周，ZX為1表示波形負(fù)半周，與實(shí)際輸入信號(hào)的時(shí)延為570us。

2.11 溫度計(jì)量

BL0940提供內(nèi)部測(cè)溫和片外測(cè)溫。外部測(cè)溫時(shí)，可選輸出報(bào)警指示，當(dāng)TPS2大于等于報(bào)警閾值時(shí)，CF管腳輸出高電平。內(nèi)部測(cè)溫公式為 (T x=(170 / 448)(T B / 2-32)-45)，TB是TPS1寄存器值。外部測(cè)試溫度采用SAR ADC，VT管腳最大輸入信號(hào)為VDD/2(V)，TPS2寄存器為對(duì)應(yīng)的D采樣值，滿刻度1024。

三、通訊接口

3.1 SPI

• 工作模式：主設(shè)備工作在Mode1（CPOL = 0，CPHA = 1），空閑態(tài)時(shí)SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)發(fā)送在SCLK由低電平到高電平的跳變，數(shù)據(jù)采樣在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送在上升沿。
• 幀結(jié)構(gòu)：通信模式下，先發(fā)送8bit識(shí)別字節(jié)（0x58為讀操作，0xA8為寫操作），然后發(fā)送寄存器地址字節(jié)。寫操作幀包括識(shí)別字節(jié)、寄存器地址、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和；讀操作幀包括識(shí)別字節(jié)、寄存器地址、返回?cái)?shù)據(jù)和校驗(yàn)和。
• 寫入操作時(shí)序：MCU在SCLK的下沿之前準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，在SCLK的下沿開始移入寄存器數(shù)據(jù)。
• 讀出操作時(shí)序：在SCLK的上升沿，BL0940將數(shù)據(jù)位移出到SDO，外部設(shè)備在下降沿采樣。
• 容錯(cuò)機(jī)制：通過(guò)SPI接口下發(fā)6個(gè)字節(jié)的0xFF，可單獨(dú)對(duì)SPI接口進(jìn)行復(fù)位。

3.2 UART

• 概述：BL0940可采用UART通信方式，僅需兩個(gè)低速光耦就能實(shí)現(xiàn)隔離通信，固定波特率4800bps，N，8，1.5，工作在從模式，半雙工通信。
• 描述：UART端口設(shè)置為通信波特率4800bps，無(wú)校驗(yàn)，停止位1.5。
• 每個(gè)字節(jié)格式：起始位低電平持續(xù)時(shí)間 (t1 = 208us)，有效數(shù)據(jù)位時(shí)間持續(xù) (t2 = 208 * 8 = 1664us)，停止位高電平持續(xù)時(shí)間 (t3 = 208us + 104us)。
• 寫入時(shí)序：主機(jī)先發(fā)送命令字節(jié)（0xA8），然后發(fā)送寄存器地址字節(jié)，接著發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，最后發(fā)送校驗(yàn)和字節(jié)。
• 讀取時(shí)序：主機(jī)先發(fā)送命令字節(jié)（0x58），然后發(fā)送寄存器地址字節(jié)，BL0940依次發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗(yàn)和字節(jié)。
• 數(shù)據(jù)包發(fā)送模式：通過(guò)命令“(0x58) + 0xAA”，BL0940會(huì)返回一個(gè)全電參數(shù)數(shù)據(jù)包，共35個(gè)字節(jié)，4800bps用時(shí)77ms。
• 保護(hù)機(jī)制：UART通信提供超時(shí)保護(hù)機(jī)制，字節(jié)間間隔時(shí)間超過(guò)18.5mS，UART接口自動(dòng)復(fù)位；幀識(shí)別字節(jié)或CHECKSUM字節(jié)錯(cuò)誤，該幀數(shù)據(jù)放棄；RX管腳低電平超過(guò)6.65mS后拉高，UART模塊復(fù)位。

四、封裝

BL0940采用TSSOP14編帶包裝，濕敏等級(jí)MSL 3，質(zhì)保期兩年，最小包裝3000。

綜上所述，上海貝嶺的BL0940內(nèi)置時(shí)鐘免校準(zhǔn)計(jì)量芯片以其豐富的功能、出色的性能和靈活的通信接口，為電能計(jì)量領(lǐng)域提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求合理使用該芯片，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。你在使用類似芯片時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。