上海贝岭BL0939：内置时钟免校准计量芯片的全方位解析

在电子设备的电能计量领域，上海贝岭的BL0939内置时钟免校准计量芯片凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为了众多应用场景的理想选择。本文将深入剖析BL0939的产品特性、功能实现以及通讯接口等方面，为电子工程师们提供全面的技术参考。

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产品简述

功能简介

BL0939是一款专为单相多功能电能表、智能插座、智能家电、电动自行车充电桩等应用设计的电能计量芯片。它集成了3路高精度Sigma - Delta ADC，可同时测量2路电流和1路电压，能够测量电流、电压有效值、有功功率、有功电能量等参数，还具备快速电流有效值输出（用于漏电监控或过流保护）、温度检测和波形输出等功能，并通过UART/SPI接口输出数据，充分满足了相关领域的需求。此外，它还具有专利防潜动设计，能确保在无电流时噪声功率不被计入电能脉冲。

主要特点

• 高精度测量：三路独立的Sigma - Delta ADC，可精确测量两路电流和一路电压，电流有效值范围为10mA - 35A（@1mohm），有功电能范围为1w - 7700w（@1mohm@220V）。
• 免校准优势：批次出厂增益误差小于1%，在满足一定外围元件条件下可免校准。
• 多功能监控：两路电流通道均具备漏电/过流监控功能，监控阈值及响应时间可设置；提供电压过零信号输出。
• 波形分析：内置波形寄存器，可输出波形数据用于负载类型分析。
• 温度监测：集成温度传感器，可满足产品本身过温监控、大电流节点预设温度报警、环境温度测量等需求。
• 通信方式多样：集成SPI（最快速率支持900KHz）/UART（4800bps）通信方式，UART支持多芯片带地址通信（SSOP20L封装）。
• 电源监测与低功耗：内部电源掉电监测，低于2.7V时芯片进入复位状态；内置1.218V参考电压源和振荡电路，时钟约4MHz；芯片单工作电源3.3V，低功耗10mW（典型值）。
• 封装选择：提供SSOP20L/SOP16L两种封装。

系统框图

BL0939的系统框图展示了其内部结构，包括电源、内部LDO、时钟、复位、ADC、DSP等模块，各模块协同工作，实现电能参数的精确测量和处理。

封装与管脚描述

BL0939提供SSOP20L和SOP16L两种封装，不同封装的管脚功能基本相似。主要管脚包括电源（VDD）、温度传感器信号输入（VT）、电流通道模拟输入（IP1/IN1、IP2/IN2）、电压信号输入（VP）、芯片地（GND）、电压过零指示（ZX）、漏电/过流报警输出（I_leak）、电能脉冲输出（CF）、通信模式选择（SEL）、SPI时钟输入（SCLK）、UART/SPI复用管脚（RX/SDI、TX/SDO）等。

寄存器列表

BL0939的寄存器分为电参量寄存器（只读）和用户操作寄存器（读写）。电参量寄存器用于存储各种电能参数，如电流有效值、有功功率、电能脉冲计数等；用户操作寄存器用于控制芯片的工作模式、进行校准和设置报警阈值等。

特殊寄存器说明

• 用户模式选择寄存器（0x18 MODE）：可设置有效值寄存器刷新时间、交流电频率、CF管脚输出功能等。
• 温度模式控制寄存器（0x1B TPS_CTRL）：用于控制测温开关、报警开关、测温选择、测温时间间隔和外部测温报警阈值等。

性能指标

电参数性能

在特定条件下（VDD = 3.3V，GND = 0V，片上基准电压源，内置晶振，25℃，电能通过CF输出进行测量），BL0939具有良好的电参数性能，包括电源电压范围、功耗、测量范围、有功电能测量精度、有效值测量精度、快速有效值响应时间、过零信号输出延时、通道间相角引起的测量误差、电源抑制比等。

极限范围

规定了电源电压、模拟输入电压、数字输入输出电压、工作温度和贮藏温度的极限范围，确保芯片在安全的条件下工作。

功能描述

电流电压瞬态波形计量

两路电流和一路电压分别通过模拟模块放大器（PGA）和高精度的模数转换（ADC）得到三路1bit PDM给数字模块，数字模块经过降采样滤波器（SINC3）、高通滤波器（HPF）、通道偏置校正等模块，得到电流波形数据和电压波形数据，并存储在相应的波形寄存器中。

有功功率

通过特定的计算公式计算A、B通道的有功功率，寄存器中的Bit[23]为符号位，用于表示当前功率是正功还是负功。

有功功率偏置校准

通过两个8位的有功功率偏置校正寄存器（A_WATTOS、B_WATTOS），以2的补码形式的数据来消除电能计量时的有功功率偏差，使无负载情况下有功功率寄存器的值接近0。

有功功率的防潜动

BL0939具有专利功率防潜功能，通过有功防潜动阈值寄存器（WA_CREEP），当输入有功功率信号绝对值小于该值时，输出有功功率设为0，避免无负载时小噪声信号累积电量。

电能计量

提供两通道的电能脉冲计量，通过对两个通道有功瞬时功率按时间积分，获得有功电能量，并按比例输出校验脉冲CF。CFA_CNT和CFB_CNT寄存器保存输出电能脉冲CF的个数，可通过I/O中断从CF引脚直接对脉冲个数进行计数。

电流电压有效值

通过平方电路、低通滤波器、开根电路得到有效值的瞬时值，再经过平均得到三个通道的平均值。可通过MODE寄存器设置有效值平均刷新时间。

电流电压有效值偏置校准

通过两个8位有效值偏置寄存器（IA_RMSOS和IB_RMSOS），以2的补码形式的数据调整有效值计算中出现的偏差，使无负载情况下有效值寄存器的值接近0。

漏电/过流检测

A和B两通道均有快速有效值寄存器，可检测半周波或周波有效值，用于漏电或过流检测。通过快速有效值控制寄存器选择刷新时间和设定阈值，当快速有效值大于等于阈值时，相应的报警输出指示管脚输出高电平。

相角计算

通过电流和电压的正向过零时间差计算A、B两相电流分别与电压的相间角，结果存储在相应的寄存器中。

过零检测

BL0939提供电压过零检测，由引脚ZX直接输出过零信号，与实际输入信号的时延为570us。

温度计量

提供内部测温和片外测温功能，外部测温时可选输出报警指示。外部和内部测温读数分别存于TPS1和TPS2两个寄存器中，并可通过相应的寄存器进行增益系数和偏置系数校正。

通讯接口

SPI

通过管脚UART_SEL选择，与UART复用。工作在从模式，半双工通讯，通讯率可配，最大通讯速率900khz，8 - bit数据传输，MSB在前，LSB在后，固定时钟极性/相位（CPOL = 0，CPHA = 1）。写操作和读操作有特定的帧结构和时序，同时SPI接口具有软复位功能。

UART

固定波特率4800bps，N，8，1.5，工作在从模式，半双工通信。UART接口仅需两个低速光耦就能实现隔离通信，20 pin封装带片选地址，可设置器件地址00 - 15。写操作和读操作有特定的时序，还支持数据包发送模式，通过特定命令可返回全电参数数据包。同时，UART接口提供超时保护机制和复位功能。

订单信息与封装

BL0939有SOP16L和SSOP20L两种封装可供选择，湿敏等级为MSL 3，质保期两年，采用编带包装，最小包装数量为2500。

综上所述，上海贝岭的BL0939内置时钟免校准计量芯片以其丰富的功能、高精度的测量和良好的性能，为电子工程师在电能计量领域的设计提供了可靠的解决方案。你在使用这款芯片的过程中遇到过哪些问题呢？或者对于其功能还有哪些疑问？欢迎在评论区留言讨论。