高性能国网三相多功能电能计量芯片BL6522B的设计(下)

[摘要] 在三相电表计量芯片里，上海贝岭已经能够提供简单三相芯片，客户应用广泛。为适应新的国网标准，新推出三相多功能计量芯片BL6522B，该产品能基本覆盖市场上其它三相多功能芯片的功能，同时满足国家电网对三相多功能计量芯片的新要求。实际应用中，可以用BL6522B实现 0.2级的三相多功能表。本文将从电路设计及实际测试结果，来介绍BL6522B这颗高性能的数字模拟混合电路的设计实现过程。

[关键词] 集成电路 电能计量 设计

[中图分类号] TN402 TN492 [文献标识码] A [文章编号] 1674-2583（2014）06-0028-05

接2014年2月刊《高性能国网三相多功能电能计量芯片BL6522B的设计（上）》

上海贝岭股份有限公司在电能计量领域耕耘多年，从1992年起就进入该领域，陆续开发出BL0932、BL6501、BL6503、BL6513、BL6523等多个系列的电能计量核心芯片，产品覆盖单相、三相、防窃电、电力线载波、电表SOC等应用方向，累计出货计量芯片超过2亿颗。目前推出的BL6522B是一颗高精度三相多功能电子电能计量芯片，可用于0.2级三相多功能表的设计，并具有较高的性价比。

本文为《高性能国网三相多功能电能计量芯片BL6522B的设计》的下篇，主要介绍BL6522B产品中数字电路的设计考虑及实际测试结果。

1 数字电路系统框架及特点

BL6522B集成七路高精度Sigma-Delta ADC、低噪声电压基准电路、温度传感器等模拟电路模块。集成了专用的处理功率、有效值、能量等电网电参数的数字信号处理电路。

该芯片能够测量三相各相及合相的总有功功率及能量、基波有功功率及能量、无功功率及能量、视在功率及能量；能够提供各相电流、电压有效值、功率因子等参数；具有电流失流监测、电流电压峰值检测、过零检测等电能质量管理等电网监控功能；功率测量的输入动态范围（DR）可以达到3000：1；集成的片上温度传感器精度可达到 ±0.5oC。

该芯片支持全数字域的输入增益调整、有功相位可校准（最大±0.625°可调）、各通道增益调整、有功/无功/视在功率校准、有效值校准等。可以直接以脉冲形式输出有功功率校验脉冲CF_WATT和无功功率校验脉冲CF_VAR（该信号也可以配置成视在功率校验脉冲CF_ VA），直接连接标准表进行有功及无功功率（或视在功率）误差校正。

芯片内部采用信号流计算方式处理各种信号，在外部干扰情况下，有很好的可靠性。内部电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。

三相信号处理以A相为例，其主要电网参数计算的信号流处理框图见图1

电流差分信号（IAP，IAN）和电压差分信号（VAP，VAN）先分别经高精度的Sigma-Delta模数转换（ADC）将模拟信号转换为1位的脉冲密度调制信号（PDM code），通过数字可调整的相位补偿器，然后再通过降采样滤波器（SINC3）后还原出多位的数字波形。通过高通滤波器（HPF）滤去高频噪声与前端模拟通道引入的直流偏差，得到需要的电流采样数据（AI_WAVE）和电压采样数据（AV_WAVE）。

电流采样数据（AI_WAVE）和电压采样数据（AV_WAVE）各自通过平方，滤波（LPF1），开根（root），及平均（AVRG）可以获得电流和电压的有效值（AI_RMS，AV_RMS）。

将电流采样数据（AI_WAVE）和电压采样数据（AV_WAVE）相乘，得到瞬时有功功率，接着经过低通滤波器（LPF1），通过功率增益校准（A_ WATTGN）和功率偏差校准（A_WATTOS），经过平均器（AVRG），获得全波平均有功功率（A_WATT）。处理过程中，对正功和负功分别积分可以获得全波正功能量（A_WAHR_P）和全波负功能量（A_WAHR_N）。

同样，在电流采样数据（AI_WAVE）和电压采样数据（AV_WAVE）分别通过基波低通滤波器（LPF50）后再相乘，经过低通滤波器（LPF1）等，可以获得基波平均功率（AF_WATT）和基波能量（AF_WAHR）。

同样，无功功率的计算类似有功功率的计算，电流电压信号通过希尔伯特滤波器（Hilbert）后相乘，接着经过低通滤波器（LPF1），通过无功功率增益校准（A_VARGN）和无功功率偏差校准（A_VAROS），经过平均器（AVRG），获得平均无功功率（A_VAR）和无功能量（A_ VARHR）。

视在功率的获得有两种方式，一种为电流有效值和电压有效值的乘积可以获得视在功率（A_ VA1）；另一种方式通过有功功率和无功功率的平方和再开根获得（A_VA2）。

功率因子（A_PF）的计算，是把全波有功功率（A_WATT）为分子，选择上述两种视在功率一种作为分母而获得。

整个数字信号处理以信号流的方式并行处理，任何的在输入端突发的干扰信号随着信号流的实时刷新，只会在短时内有限的影响输出数据，干扰信号过后芯片输出恢复正常。信号处理过程中不使用状态机，信号处理结果稳定可靠，在符合芯片极限工作环境的条件下，芯片不存在死机的可能。

2 电路设计考虑和实测结果2.1 输出信号高稳定性

BL6522B的设计目标是适用于0.2级三相多功能表，由于三相电表一般使用电流互感器把采样到的电流信号转换成差分信号，比起单相电表使用锰铜电阻来采样信号，三相应用中输入到ADC的实际信号的幅度比单相应用要大2～5倍。对于模拟前端的ADC设计，在设计中线性度的控制比单相计量芯片中ADC的设计难度略小。

但三相表多数是0.5级或0.2级表，特别是按照0.2级表的要求，整表检测量程内的非线性误差要小于0.2%（可参考对应的国标）。在实际电表厂生产过程中，表厂内控指标就会要求校芯片验信号输出的波动控制在比标准小一个量级（10倍）的水平，一般要求在测试标准点（Ib）输出信号波动控制在0.02%以内。

这要求输出信号的处理需要十分小心，一方面在模拟前端尽可能降低有效带宽内的热噪声、通道的窜扰噪声、基准电压的热噪声等（详细见本文上篇）；另一方面，在数字域，完全可以通过数字信号处理的先天抗干扰强的优势，进一步抑制噪声，使得输出的校验脉冲的波动达到理想范围。数字设计方面主要通过以下办法：（1）合理选择数字滤波器结构、阶数及系数，更好的抑制带外噪声；（2）选择合理的滤波器位数，避免数字截尾误差引入的数字噪声；（3）采用不同工作频率的滤波器，通过内插算法，提高波形的平滑；（4）在信号处理过程中的一些关键点，可以分段处理大信号和小信号，提高线性度；（5）整个算法的开销需要从全局角度来平衡，尽可能以最小硬件开销来实现满足设计规范的最大性能。

图2a是BL6522B的实际测试值。在整机测试时，输入电流Ib=5A， 电压是220V的情况为表厂校准电表的标准点。如果输出校验脉冲波动大，就会使得测量不准确，需要现场多次校验，影响效率。BL6522B的整机在连续50次的测试中，输出误差波动小于0.01%。完全符合0.2级表的要求，也完全达到表厂生产内控的指标。

图2b是BL6522B的在小信号输入情况下的实际测试值，取整机测试的输入电流为1% Ib=50mA， 电压是220V的情况。由于该点输入信号小，每出一个校验脉冲，基本要花费几分钟，是表厂校准流程中最花时间的点。同样，如果输出校验脉冲波动大，就必选测设更多数据，需要更多试讲，会严重影响产线上的校表效率。BL6522B的整机在连续20次的测试中，2%Ib小信号的输出误差波动小于0.06%。

2.2 3000：1输入动态范围

比起单相电表使用锰铜电阻来采样信号，三相应用中采样端一般使用电流互感器（CT），后接2ohm～20ohm的电阻（这里R1+R2取10ohm），对于Ib=5A（有效值）的标称用电电流，如果通过1000：1的CT，流过R1、R2的电流为5mA，输入到芯片的差分电压约50mV（有效值）。

按照设计要求，输入动态范围需要达到3000：1，可以对应到电流通道输入电压范围大致从100uV 到300mV左右。其难点在于，即使输入信号只有100uV，也要保证测量误差不大于0.1%。

如简单计算，这需要分辨精度达到3000*1000≈22bits的ADC。我们不可能在目前的成本条件下去设计一个22位精度的ADC。 但比较幸运的是最终检测的是平均有功功率或无功功率的误差，不是电流的误差。这样，由于平均功率是个直流量，那么其噪声带宽就有可能接近很窄的一个范围。

电流通道的ADC需要考虑的输入信号带宽至少应能包括21次谐波，通过仔细设计基准电压的噪声、通道的热噪声等，可以把模拟电路的噪底（noise floor）控制在一个比较低值，虽然噪声带宽还是较大，具体模拟电路的设计考虑参见本文上篇。后续的数字信号处理在计算平均有功功率时，可以限制噪声带宽，这样通过收紧带宽，降低了噪声功率，在输入信号功率不变的情况下，大大提高的系统的信噪比（SNR）。

BL6522B的前端ADC可输入最大差分信号约340mV有效值。实际测量在3000：1输入动态范围（最大6倍Ib，最小0.4%Ib）内与标准表的非线性误差<0.1%，见表1。

无功功率的计算方式同有功功率，同样能在3000：1输入动态范围内达到非线性误差<0.1%的精度。

2.3 精确的基波及谐波检测

在BL6522B中，基波计算与全波功率计算同步进行。基波计算中，除了电流电压波形必须经过一个低通滤波器外（主要滤除2次谐波及以上谐波），后续功率计算的算法同全波功率计算。基波功率和全波功率采用两路同步进行，基波功率计算的动态范围、内部运算位数、线性度控制和输出信号的波动控制同全波有功功率的结果。

实际测试结果，加5次谐波，谐波电压为10%基波幅度（U5=10%Un），谐波电流为40%基波电流幅度情况下（I5=40%Ib），与标准表相比，测得基波功率相对误差<0.04%。

BL6522B可以提供精确的基波功率和谐波功率，谐波功率计算可以通过全波功率减去基波功率获得。同样基波的精度也达到了3000：1输入动态范围内达到非线性误差<0.1%。

2.4 高精度温度传感器的测试结果

电流和电压检测的ADC由于使用片上基准，随着基准电压的温度变化，会有一定的温度漂移。电能计量产品片上基准的温度漂移一般在15ppm每度以内，这样折算到-40度至80度的温度范围内，可能带来的基准电压的变化达到0.18%。

电能计量芯片中，一般有功功率的输出值与基准电压的平方成反比。这样0.18%的基准温漂最终会带来近似于0.36%的有功功率输出误差（-40度至80度的温度范围内）。但比较幸运的是，BL6522B中所采用的基准电压产生电路的结构所带来的温度曲线在批量测试中基本是一致的。

这样，理论上可以通过增加片上温度传感器来测量温度，然后根据已获得整表温度特性，通过调整片上数字增益寄存器来由于基准电压温漂所造成的增益温度漂移误差。对于0.2级表的精度要求，可以很方便通过查表等方式，把有功功率0.36%的增益温度漂移误差控制到0.1%以下（这里的标准比国标严格）。在实际应用中，如能要控制PCB线路板上外围器件的温度曲线一致性，再加上BL6522B的温度曲线批量基本保持一致，可以使用这种补偿方式来实现大批整表的温度补偿。

片上温度传感器实际测量结果，在温控精度0.2度的温箱里，测试BL6522B的片上内置温度传感器，获得温度曲线如下，从测试结果看，在-40度至80度的温度范围内，温度传感器有着很好的线性度，测量误差小于0.5度。

2.5 其它有用的新功能

BL6522B从应用工程师角度出发，也充分考虑了应用工程师使用过程中的一些细节，比贝岭原有的BL6522产品新增不少新的功能：

（1）由于模拟输入端的互感器在不同幅度输入信号情况下，可能存在角差不一致。BL6522B提供了有功功率角差校准分段补偿功能。并可根据电流有效值的大小，自主设置P1、P2两个分割点用于三段的角差分段补偿。

（2）有功、无功、基波功率的检测不仅具有阈值防潜动功能，还增加了定时防潜动功能。定时防潜功能打开后，根据定时防潜动寄存器的设置值，可以分别给有功能量累计或无功能量累计设定复位时间，如果在给定的时间里，有功能量累计值或无功能量累计值不足以在有功功率校验脉冲CF_WATT或无功功率校验脉冲CF_CAR的输出脚上触发1个校验脉冲，内部有功能量累计值或无功能量累计值将被清零，阻止剩余的累计能量继续累计最终导致的不需要的校验脉冲输出输出。这样可彻底避免在没有电流输入的情况下，由于输入端的噪声输出所带来的电表走字问题。该功能同时也对于更好的通过整机的工频电磁场干扰测试提供了一种解决方案。

定时防潜的设置需要按照根据整机防潜动考核的时间设置。应用设计中，应避免无法通过整机启动实验的状况发生。

（3）BL6522B提供快速潜动判断手段，为表厂提供了一种快速测试潜动的功能。可以设置四种时间段来快速判断整机是否存在潜动问题。可以设置4个测试时间分别为2.3秒、9.2秒、36.8秒、73.6秒。判断的方法，是计算在同一时间间隔里，瞬时功率的积分是否大于同样时间段中防潜动阈值WA_CREEP2/2或VAR_CREEP2/2的积分，如果没有，快速潜动标志位输出0，如果有潜动标志位输出1。对应有功和无功各自有快速潜动标志位指示输出。

（4）提供符合2013年新的国网标准的电压（流）逆相序测试：三相四线模式下电压相序检测按照A/B/C三相电压的过零点顺序进行判断，电压相序正确的依据：当A相电压过零之后，B相电压过零，然后才是C相电压过零，否则电压错序。另外，只要当A/B/C三相电压中任何一相没有电压输入时，可以认为是相序正常。有任意一相断相，无视逆相序比较结果。

（5）提供电流逆相序的判别：三相电压均大于电能表的临界电压，三相电流均大于5%额定（基本）电流，三相电流逆相序，且持续时间大于设定时间（60S），此种工况称为电流逆相序。该功能实现在实际应用中需要MCU配合实现。

（6）零线电流检测，可选合相电流的有效值或零线电流有效值输出，同时具有零线电流溢出指示功能。

（7）提供片上电压基准跌落检测，可以用于防止由于基准电压外接电容漏电造成的电表快走。

3 总结

综合本文的上下篇，较详细介绍了上海贝岭股份有限公司新推出的三相多功能计量芯片BL6522B在产品设计过程中的一些考虑。该产品具有输出跳动小、输入宽量程、高精度温度测量等特点。同时产品设计以客户使用的方便性为出发点，符合最新的国家电网标准，能够满足0.2级三相多功能电表的应用。目前已实现了小批量供货，不仅可适用国家电网招标的三相多功能表市场，同时也可以应用到其他工业控制仪器仪表中。