上海貝嶺BL6552三相電能監(jiān)測及分析專用芯片深度解析

在三相電能監(jiān)測及分析領(lǐng)域，上海貝嶺的BL6552芯片憑借其卓越性能和豐富功能成為眾多工程師的首選。接下來，我們將從多個方面深入剖析這款芯片。

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一、產(chǎn)品簡述

BL6552是一款7通道三相電能監(jiān)測及分析芯片，適用于三相智能斷路器、三相導(dǎo)軌表、電測儀表、大功率設(shè)備電源監(jiān)控等應(yīng)用，具有高性價比。它集成了七路高精度Sigma - Delta ADC、參考電壓電路、溫度傳感器等模擬電路模塊，以及處理功率、有效值、能量、溫度等電參數(shù)的數(shù)字信號處理電路?？蓽y量多種電參數(shù)，具備電能質(zhì)量管理功能，還能給出實時波形。同時，集成SPI和UART接口，方便與外部MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。其內(nèi)部采用數(shù)據(jù)流計算方式，有良好的可靠性，內(nèi)部電源電壓監(jiān)測電路可保證加電和斷電過程中正常工作。

二、基本特征

（一）主要特點

1. 高精度與高穩(wěn)定性：在8000:1的輸入動態(tài)范圍內(nèi)，有功功率非線性誤差小于0.1%，輸出脈沖信號跳動<0.02%@Ib。
2. 豐富的測量參數(shù)：提供零線電流輸入采樣，能給出分相以及總（基波和諧波）有功、無功、視在功率（24bit，支持兩種計算方式），基波有功、無功功率（24bit），分相電壓、電流有效值（24bit），分相電壓、電流以及零線電流的波形采樣數(shù)據(jù)（24bit）等。
3. 多種功能特性：具有快速有效值輸出、電壓電流相角測量、有功電能和無功電能的快速脈沖輸出等功能，還具備電壓失壓和斷相檢測、電流失流檢測、電流電壓峰值檢測、過零檢測、頻率檢測等功能，可編程防潛動閥值設(shè)置、調(diào)整脈沖輸出頻率，可編程有功、無功、視在功率誤差及增益調(diào)整，可編程輸入有功相位補(bǔ)償，可給出中斷請求信號，具有UART/SPI通信接口，內(nèi)置1.2V參考電壓源，單電源3.3V，采用QFN36封裝。

（二）系統(tǒng)框圖

芯片主要分為模擬信號處理和數(shù)字信號處理兩塊。模擬部分包括7通道高精度Sigma - Delta ADC及相關(guān)模擬模塊，數(shù)字部分為一個數(shù)字信號處理器及相關(guān)模塊。

（三）管腳排列

采用QFN36封裝，各管腳有明確的功能，如輸入、輸出、電源、地等，每對差分輸入管腳的最大差分電壓為±0.7V。

（四）性能指標(biāo)

1. 電參數(shù)性能指標(biāo)：在不同測量參數(shù)上有明確的誤差范圍，如有功功率測量誤差、無功功率測量誤差、通道間相角引起測量誤差等在規(guī)定輸入動態(tài)范圍內(nèi)均小于0.1%，還對AC/DC電源抑制、電壓/電流有效值測量精度、模擬輸入、邏輯輸入/輸出、電源等參數(shù)有詳細(xì)規(guī)定。
2. 極限范圍：對電源電壓、模擬輸入/輸出電壓、數(shù)字輸入/輸出電壓、工作溫度、貯藏溫度、功耗等有明確的極值規(guī)定。

三、工作原理

（一）電流電壓波形產(chǎn)生原理

有7路高精度的ADC，采用雙端差分信號輸入。輸入信號經(jīng)模擬模塊放大器（PGA）和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）得1bit PDM給數(shù)字模塊，數(shù)字模塊經(jīng)過相位校準(zhǔn)、降采樣濾波器（SINC3）、可選高通濾波器（HPF）或基波低通濾波器后，通過增益及偏置校正等模塊，得到電流和電壓波形數(shù)據(jù)。7通道的PGA增益可調(diào)，可通過GAIN寄存器調(diào)整。

1. 有功相位補(bǔ)償

芯片提供對微小相位誤差進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)的方法，適用于<0.574°范圍的小相位誤差，還增加角差分段補(bǔ)償設(shè)置，允許角差分三段補(bǔ)償。

2. 通道偏置校正

包含7個16位的通道偏置校準(zhǔn)寄存器CHOS[N]，以2的補(bǔ)碼形式消除電流和電壓通道模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的偏差，校正公式為[WAVE [N]=WAVE0[N]+CHOS[N] * 2]。

3. 通道增益校正

包含7個16位的通道增益校準(zhǔn)寄存器CHGN[N]，以2的補(bǔ)碼形式調(diào)整電流和電壓通道模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的增益誤差，校正公式為[WAVE[N]=WAVEO[N] *left(1+frac{CHGN[N]}{2^{16}}right)]。

4. 電流電壓波形輸出

可采集當(dāng)前負(fù)載電流和電壓波形數(shù)據(jù)，采樣速率為15.6ksps，每周波可采樣300點，每個采樣數(shù)據(jù)為24bit有符號數(shù)，存入波形寄存器。通道可選通過HPF、基波LPF，波形輸出選擇可通過用戶模式寄存器MODE1[23]設(shè)置。

（二）有功功率計算原理

三相電流和電壓波形分別通過數(shù)字乘法，然后依順序經(jīng)過低通濾波器、增益和偏差校準(zhǔn)、防潛動判斷及平均處理后獲得分相功率信號，相加獲得總有功功率。

1. 有功功率輸出

對應(yīng)3相電流分別乘以3相電壓，獲得3相功率信號，相加獲得總功率。有功功率計算公式為(WATT=frac{994 I_{N}(A) ~V(~V)}{Vref^{2}}=frac{994 * P 0}{Vref^{2}})，可通過add_sel寄存器設(shè)置功率和的累加方式。

2. 有功功率校準(zhǔn)

包含3個16位的有功功率偏置校正寄存器WATTOS_A/B/C和3個16位的有功功率增益校正寄存器WATTGN_A/B/C，用于消除有功功率計算中的直流偏差和增益偏差，校正結(jié)果為(WATT=WATT0*(1+WATTGN/2^16) + WATTOS/2)。

3. 有功功率的防潛動

具有專利功率防潛功能，通過有功防潛動閾值寄存器（WA_CREEP）和合相有功防潛動閾值寄存器（WA_CREEP2）保證無電流輸入時功率輸出為0。

4. 有功功率小信號補(bǔ)償

通過小信號補(bǔ)償寄存器調(diào)節(jié)小信號段的非線性誤差。

5. 有功功率選擇

可通過watt_sel選擇基波有功或全波有功，缺省為全波有功。

（三）有功能量計量原理

提供三相電能脈沖累計，每相有功功率通過一段時間的積分獲得有功能量，并轉(zhuǎn)化成對應(yīng)頻率校驗脈沖CF。

1. 有功能量輸出

對CF脈沖的計數(shù)可獲得能量，存放在第N相能量累計寄存器CF[N]_CNT和總能量寄存器CF_CNT。

2. 有功能量輸出選擇

通過MODE3寄存器設(shè)置CF管腳輸出電能脈沖的方式，CF_addsel用于設(shè)置總能量的相加方式。CF脈沖的計數(shù)結(jié)果存于CF*_CNT寄存器中，也可通過I/O中斷從CF引腳直接計數(shù)。1個CF對應(yīng)的電量轉(zhuǎn)換公式為(Ecf=58.6058574 T_{0} * Vref^{2})（千瓦時）。

3. 有功能量輸出比例

通過CF_DIV寄存器設(shè)置能量累計的快慢，每檔2倍關(guān)系，共12檔。

（四）電流電壓有效值計算原理

每個通道的原始波形經(jīng)過平方電路、有效值低通濾波器、開根電路，得到有效值的瞬時值，再經(jīng)過平均得到平均值。

1. 有效值輸出

有效值計算結(jié)果輸出到7個寄存器，當(dāng)通道處于防潛狀態(tài)時，該通道的有效值不計量。電流和電壓有效值轉(zhuǎn)換公式分別為(I_RMS=frac{315021 I(A)}{Vref})和(V_RMS =frac{20194 V( V)}{ Vref })。

2. 有效值輸入信號的設(shè)置

通過MODE2[21:0].WAVE_RMS_SEL選擇有效值計算輸入波形。

3. 有效值刷新率的設(shè)置

通過MODE2[22].RMS_UPDATE_SEL選擇有效值平均刷新時間。

4. 電流電壓有效值校準(zhǔn)

包含7個24位的有效值偏置校正寄存器RMSOS[N]和7個16位的有效值增益校正寄存器RMSGN[N]，用于校準(zhǔn)有效值計算中的偏差，校準(zhǔn)公式為(R M S[N]=sqrt{R M S[N]_{0}^{2}+R M S O S[N] × 256})。

5. 有效值的防潛動

通過有效值防潛動閾值寄存器（RMS_CREEP）保證無電流輸入時有效值輸出為0。

（五）過流檢測原理

7個通道均有快速有效值寄存器，可檢測半周波或周波有效值，用于過流檢測。輸入波形通過取絕對值，然后在規(guī)定時間內(nèi)積分，獲得快速有效值。

1. 快速有效值輸出

7通道的快速有效值輸出寄存器可用于過流、過壓檢測。

2. 快速有效值輸入選擇

波形來源可選通過HPF和不通過HPF，通過MODE1[22]設(shè)置。

3. 快速有效值累計時間

計算快速有效值先取絕對值，然后根據(jù)設(shè)定的累計時間積分，通過FAST_RMS_CTRL[23:21]選擇累計時間。

4. 電網(wǎng)頻率選擇

通過MODE2[23]區(qū)分50Hz和60Hz的半周波時間。

（六）無功計算

每相電流和電壓波形通過Hilbert濾波器后，再進(jìn)行數(shù)字乘法，然后依順序經(jīng)過低通濾波器、增益和偏差校準(zhǔn)、防潛動判斷及平均處理后獲得無功功率信號，經(jīng)過積分后獲得無功能量脈沖累計。

1. 無功相位補(bǔ)償

在ADC輸出位置，提供對微小相位誤差進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)的方法，適用于<0.6°范圍的小相位誤差。

2. 無功功率輸出

輸出3相和合相無功功率，基波和全波無功同時給出。

3. 無功功率校準(zhǔn)

包含3個16位的無功偏置校正寄存器VAROS和3個16位的無功增益校正寄存器VARGN，以及3個16位的基波無功偏置校正寄存器FVAROS和3個16位的基波無功增益校正寄存器FVARGN，用于校準(zhǔn)無功計算中的偏差。

4. 無功功率的防潛動

通過無功防潛動閾值寄存器（VAR_CREEP）保證無電流輸入時功率輸出為0。

5. 無功功率小信號補(bǔ)償

通過小信號補(bǔ)償寄存器調(diào)節(jié)小信號段的非線性誤差。

6. 無功能量輸出

對無功CF脈沖的計數(shù)可獲得無功能量，存放在無功能量累計寄存器CFQ_CNT。可通過var_sel選擇基波無功或全波無功，缺省為基波無功。

（七）視在和功率因子計算

視在計算有兩種方式，一是電流和電壓有效值進(jìn)行數(shù)字乘法，然后經(jīng)過增益和偏差校準(zhǔn)獲得無功功率信號，經(jīng)過積分后獲得無功能量脈沖累計，有功功率除以視在功率可獲得功率因子；二是通過有功功率平方加上無功功率平方后，再開根號獲得。第二種方式在小信號測量時精度更好。

1. 視在功率和能量輸出

輸出分相和合相視在功率和能量。

2. 視在功率校準(zhǔn)

包含3個16位的視在偏置校正寄存器VAOS和3個16位的視在增益校正寄存器VAGN，用于校準(zhǔn)視在計算中的偏差。

3. 功率因子

輸出分相和合相功率因子，由VA_SEL寄存器選擇視在功率和功率因子的計算方式。

（八）三相電流和的計算

1. 電流和的輸出

三相電流和可選擇代數(shù)和計算、代數(shù)和的有效值計算或快速有效值計算，輸出到相應(yīng)寄存器。

2. 電流和的調(diào)整

包含1個24位的電流和有效值偏置校正寄存器ISUM_RMSOS和1個16位的電流和有效值增益校正寄存器ISUM + RMSGN，用于調(diào)整電流和的有效值。

3. 電流和的比較

通過MODE3[4]選擇比較對象，通過ISUMLVL寄存器進(jìn)行比較。

（九）小信號補(bǔ)償

對于有功（基波和全波）、無功（基波和全波）、視在功率的計算，通過小信號補(bǔ)償寄存器調(diào)節(jié)小信號段的非線性誤差。

（十）溫度計量

提供內(nèi)部測溫，通過TPS1寄存器獲取內(nèi)部溫度值。

（十一）電參數(shù)測量

1. 線周期計量

具有線周期能量累計計算器，包括有功和無功。線周期的周期數(shù)可通過LINECYC寄存器選擇。

2. 線頻率計量

通過PERIOD寄存器記錄對線周期的計數(shù)，測量電壓通道的正弦波信號頻率，計算公式為(線電壓頻率 =frac{10000000}{ PERIOD } Hz)。

3. 相角計算

通過計算電流和電壓的正向過零之間的時間差得到相位差，對應(yīng)時間值更新到寄存器CORNER[N]，相角換算公式為(2 pi^{} ANGLE[N] * frac{f{c}}{f{0}})（單位是弧度）。

4. 功率符號位

對于有功、無功等功率脈沖CF輸出，有符號位寄存器指示每個CF的方向。

（十二）故障檢測

1. 過零檢測

提供電壓過零檢測，由引腳ZS直接輸出過零信號。

2. 峰值超限

通過編程方式設(shè)定電流和電壓有效值的門限值，由峰值門限寄存器（I_PKLVL、V_PKLVL）設(shè)定，當(dāng)通道有效值超過閾值時，給出相應(yīng)指示。

3. 線電壓跌落

當(dāng)線電壓瞬時有效值低于某一峰值的時間超過一定的半周期數(shù)時，給出線電壓跌落指示，通過設(shè)置中斷狀態(tài)STATUS1寄存器中的SAG標(biāo)志位記錄。

4. 過零超時

過零檢測電路連接檢測過零信號超時的寄存器ZXTOUT，當(dāng)超長時間無過零信號輸出時，中斷狀態(tài)寄存器中相應(yīng)的位ZXTO被置1。

5. 過零指示

結(jié)果放在STATUS1寄存器，指示各相電壓和電流波形的符號位。

6. 電源供電指示

包含片上電源監(jiān)視電路，連續(xù)檢測模擬電源（AVDD），當(dāng)電源電壓小于2.7V±5%時，整個電路不被激活，保證設(shè)備在電源上電掉電時正確操作。

四、內(nèi)部寄存器

（一）電參量寄存器（外部讀）

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、無功功率寄存器、視在功率寄存器、電能脈沖計數(shù)寄存器、波形夾角寄存器、功率因數(shù)寄存器、線電壓頻率寄存器等，用于存儲各種電參數(shù)測量結(jié)果。

（二）校表寄存器1

包含通道PGA增益調(diào)整寄存器、角差分段點定義寄存器、相位校正相關(guān)寄存器、有效值增益調(diào)整寄存器、有效值偏置校正寄存器、功率小信號補(bǔ)償寄存器、防潛動閾值寄存器、快速有效值相關(guān)設(shè)置寄存器、故障檢測相關(guān)寄存器、ADC使能控制、模式寄存器、中斷屏蔽寄存器、能量清零設(shè)置寄存器、用戶寫保護(hù)設(shè)置寄存器、軟復(fù)位指令等，用于芯片的校準(zhǔn)和設(shè)置。

（三）校表寄存器2

包含通道增益調(diào)整寄存器、通道偏置調(diào)整寄存器、功率增益調(diào)整寄存器、功率偏置調(diào)整寄存器、CF縮放比例寄存器、AT1~3邏輯輸出管腳配置寄存器、校表寄存器校驗和等，進(jìn)一步實現(xiàn)芯片的校準(zhǔn)和功能配置。

（四）校表寄存器詳細(xì)說明

1. 通道PGA增益調(diào)整寄存器

用于模擬輸入通道的PGA放大參數(shù)設(shè)置，每4bit設(shè)置一個通道，設(shè)置增益后，該通道的最大允許輸入信號要相應(yīng)減小。

2. 相位校正相關(guān)寄存器

可設(shè)置根據(jù)電流有效值進(jìn)行分段相位補(bǔ)償，通過不同寄存器對電流和電壓通道的相位進(jìn)行校正。

3. 有效值增益調(diào)整寄存器

用于有效值的增益校正，調(diào)整范圍±50%。

4. 有效值偏置校正寄存器

用于消除有效值計算中的源于輸入噪聲帶來的偏差，使無負(fù)載情況下有效值寄存器值接近0。

5. 功率小信號補(bǔ)償寄存器

用于補(bǔ)償直流偏置帶來的有功小信號偏差。

6. 防潛動閾值寄存器

用于每個分相的有功功率/無功功率防潛動設(shè)置，以及合相有功/無功功率的防潛動閾值設(shè)置。

7. 快速有效值相關(guān)設(shè)置寄存器

設(shè)置快速有效值的刷新時間和超限閾值。

8. 故障檢測相關(guān)寄存器

見故障檢測章節(jié)描述。

9. ADC使能控制

可通過關(guān)閉未使用的通道來降低功耗。

10. 模式寄存器

包括MODE1、MODE2、MODE3，用于設(shè)置芯片的工作模式，如快速有效值選擇、有效值波形選擇、交流電頻率選擇、功率和能量的累加方式等。

11. 中斷狀態(tài)寄存器

記錄各種故障和狀態(tài)信息，如線電壓跌落、過零超時、峰值超限等。

12. 中斷屏蔽寄存器

控制是否在IRQ1和IRQ2管腳產(chǎn)生有效的中斷輸出。

13. 能量讀后清零設(shè)置寄存器

設(shè)置電能脈沖計數(shù)寄存器是否讀后清零。

14. 用戶寫保護(hù)設(shè)置寄存器

寫入0x5555時，表示可操作寫入校表寄存器。

15. 軟復(fù)位指令

通過寫入特定值實現(xiàn)電參數(shù)寄存器和校表寄存器的復(fù)位。

16. 通道增益調(diào)整寄存器

以2的補(bǔ)碼形式調(diào)整對應(yīng)通道的AD采樣波形的增益，