上海贝岭BL0940：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，芯片的性能和功能至关重要。上海贝岭的BL0940内置时钟免校准计量芯片，凭借其出色的特性和丰富的功能，在单相多功能电能表、智能插座、智能家电、电动自行车充电桩等应用场景中展现出了强大的优势。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

文件下载：BL0940.pdf

一、产品简述

1.1 功能简介

BL0940是一颗专为电能计量设计的芯片，它集成了2路高精度Sigma - Delta ADC、参考电压、电源管理等模拟电路模块，以及处理有功功率、电流电压有效值等电参数的数字信号处理电路。该芯片能够测量电流、电压有效值、有功功率、有功电能量等参数，还可输出快速电流有效值用于过流保护，以及进行温度检测和波形输出等功能，并通过UART/SPI接口输出数据，能充分满足多个领域的用电信息采集需求。此外，它具有专利防潜动设计，可确保在无电流时噪声功率不被计入电能脉冲。

1.2 主要特点

• 高精度ADC：拥有两路独立的Sigma - Delta ADC，分别用于电流和电压测量。
• 宽测量范围：电流有效值范围为10mA - 35A（@1mohm），有功电能范围为1w - 7700w（@1mohm@220V）。
• 多参数输出：可输出电流、电压有效值，快速电流有效值，有功功率，电流电压波形相角等。
• 免校准特性：批次出厂增益误差小于1%，在外围元件满足一定条件下可以免校准。
• 过流监控：电流通道具备过流监控功能，监控阈值及响应时间可设置。
• 过零信号输出：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。
• 温度传感器：集成温度传感器，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：集成SPI（最快速率支持900KHz）/UART（4800bps）通信方式。
• 电源监测：具备电源掉电监测功能，低于2.7V时，芯片进入复位状态。
• 内置参考电压：内置1.218V参考电压源。
• 低功耗设计：芯片单工作电源3.3V，低功耗10mW（典型值），采用TSSOP14封装。

1.3 系统框图

BL0940的系统框图展示了其内部结构，包括电源模块、ADC模块、数字信号处理模块（DSP）等。VDD为电源输入，内部有LDO进行电源管理，时钟信号通过振荡电路产生。电流和电压信号分别经过PGA放大和SDM模数转换后进入DSP进行处理，同时还有温度传感器进行温度监测。

1.4 封装与管脚描述

BL0940采用TSSOP14封装，各管脚功能明确。VDD为电源管脚（+3.3V），VT用于外部温度传感器信号输入，IP1和IN1为电流通道的模拟输入，VP和VN为电压信号输入端，GND为芯片地，ZX为电压过零指示，CF为电能脉冲输出，SEL用于UART/SPI通信模式选择，SCLK为SPI方式时钟输入，RX/SDI和TX/SDO为UART/SPI复用管脚，VPP保留。

1.5 寄存器列表

BL0940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电流快速有效值、电流波形、电压波形、电流有效值、电压有效值、有功功率、有功电能脉冲计数、电流电压波形相角、内部温度检测、外部温度检测等数据；用户操作寄存器用于控制电流快速有效值、电流有效值小信号校正、功率小信号校正、有功功率防潜、用户模式选择、软复位、用户写保护设置、温度模式控制、外部温度传感器增益系数校正、外部温度传感器偏移系数校正等功能。

1.6 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（400ms或800ms）、交流电频率（50Hz或60Hz）、CF管脚输出功能等。
• 温度模式控制寄存器（0x1B TPS_CTRL）：可控制测温开关、报警开关、测温选择、测温时间间隔、外部测温报警阈值等。

1.7 性能指标

1.7.1 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），BL0940的电参数性能表现出色。电源电压范围为3.0 - 3.6V，功耗为3mA，输入动态范围为4000:1，有功电能测量精度在不同输入电流范围有所不同（大信号时为0.2%，小信号时为0.4%，微小信号时为0.6%），有效值测量精度也因输入电流范围而异（大信号时为0.2%，小信号时为2%，微小信号时为6%），快速有效值响应时间在50Hz时为10 - 40ms，60Hz时为8.3 - 33ms，过零信号输出延时为571uS，通道间相角引起的测量误差在PF = 0.8（容性）和PF = 0.5（感性）时均为0.5%，AC和DC电源抑制均为0.1%。模拟输入电平（电流峰值为50mV，电压峰值为200mV），模拟输入阻抗为370kΩ，SEL下拉电阻为56.9kΩ，模拟输入带宽为3.5kHz，内部电压基准为1.218V，逻辑输入高电平为2.6V，逻辑输入低电平为0.8V，逻辑输出高电平为VDD - 0.5V，逻辑输出低电平为0.5V。

1.7.2 极限范围

电源电压范围为 - 0.3 - +4V，模拟输入电压（相对于GND）为 - 4 - +4V，数字输入电压（相对于GND）为 - 0.3 - VDD + 0.3V，数字输出电压（相对于GND）为 - 0.3 - VDD + 0.3V，工作温度范围为 - 40 - +105℃，贮藏温度范围为 - 55 - +150℃。

二、功能描述

2.1 电流电压瞬态波形计量

电流和电压信号分别通过模拟模块的放大器（PGA）和高精度的模数转换（ADC）得到两路1bit PDM信号，然后进入数字模块，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（I_WAVE，V_WAVE）。采集到的负载电流和电压波形数据以7.8k的速率更新，每个采样数据为24bit有符号数，并存入波形寄存器。

2.2 有功功率

有功功率通过公式 (WATT =frac{4046 I(A) V(V) * COS(varphi)}{V r e f^{2}}) 计算，其中 (I(A)) 和 (V(V)) 为通道管脚输入信号的有效值（mV），φ 为I(A)、V(V)交流信号的相位夹角，Vref为内置基准电压，典型值为1.218V。有功功率寄存器（0x08 WATT）的Bit[23]为符号位，用于表示当前有功功率是正功还是负功。

2.3 有功功率偏置校准

BL0940包含一个8位的有功功率校正寄存器（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。偏差校正可以使有功功率寄存器中的值在无负载情况下接近0。

2.4 有功功率的防潜动

BL0940具有专利功率防潜功能，通过有功防潜动阈值寄存器（WA_CREEP）来保证无电流输入时板级噪声功率不会累积电量。当输入有功功率信号绝对值小于该阈值时，输出有功功率设为0。

2.5 电能计量

BL0940提供电能脉冲计量，有功瞬时功率通过一段时间的积分获得有功能量，并输出校验脉冲CF。CFCNT寄存器保存输出电能脉冲CF的个数，CF的周期小于180ms时为50%占空比的脉冲，大于等于180ms时高电平固定脉宽90ms。每个CF脉冲的累积时间 (t{CF}=frac{1638.4 * 256}{W A T T})。

2.6 电流电压有效值

电流和电压有效值通过平方电路、低通滤波器、开根电路得到瞬时值，再经过平均得到平均值（I_RMS和V_RMS）。可通过设置MODE[8].RMS_UPDAT_SEL选择有效值平均刷新时间为400ms或800ms，默认400ms。当通道处于防潜状态时，该电流通道的有效值为零。

2.7 电流电压有效值偏置校准

BL0940包含一个8位有效值偏置寄存器（I_RMSOS），以2的补码形式的数据来调整有效值计算中出现的偏差，使有效值寄存器中的值在无负载情况下接近0。

2.8 过流检测

BL0940的快速有效值寄存器可检测半周波或周波有效值，用于过流检测。通过I_FAST_RMS_CTRL快速有效值控制寄存器可选择刷新时间为半周波或周波，并设定快速有效值阈值（即过流阈值）。当I_FAST_RMS寄存器的Bit[23:9]大于等于设置的阈值时，过流报警输出指示管脚（CF）输出高电平。

2.9 相角计算

BL0940可用于相角测量，通过电流和电压的正向过零时间差计算相间角CORNER，寄存器是16位无符号数。相角换算公式为 (2 pi CORNER * frac{f{c}}{f{0}})，其中 (f{c}) 是交流信号源的测量频率，默认是50Hz， (f{0}) 是采样频率，典型值是1MHz。

2.10 过零检测

BL0940提供电压过零检测，由引脚ZX直接输出过零信号，ZX为零表示波形正半周，ZX为1表示波形负半周，与实际输入信号的时延为570us。

2.11 温度计量

BL0940提供内部测温和片外测温。外部测温时，可选输出报警指示，当TPS2大于等于报警阈值时，CF管脚输出高电平。内部测温公式为 (T x=(170 / 448)(T B / 2-32)-45)，TB是TPS1寄存器值。外部测试温度采用SAR ADC，VT管脚最大输入信号为VDD/2(V)，TPS2寄存器为对应的D采样值，满刻度1024。

三、通讯接口

3.1 SPI

• 工作模式：主设备工作在Mode1（CPOL = 0，CPHA = 1），空闲态时SCLK处于低电平，数据发送在SCLK由低电平到高电平的跳变，数据采样在下降沿，数据发送在上升沿。
• 帧结构：通信模式下，先发送8bit识别字节（0x58为读操作，0xA8为写操作），然后发送寄存器地址字节。写操作帧包括识别字节、寄存器地址、数据和校验和；读操作帧包括识别字节、寄存器地址、返回数据和校验和。
• 写入操作时序：MCU在SCLK的下沿之前准备好数据，在SCLK的下沿开始移入寄存器数据。
• 读出操作时序：在SCLK的上升沿，BL0940将数据位移出到SDO，外部设备在下降沿采样。
• 容错机制：通过SPI接口下发6个字节的0xFF，可单独对SPI接口进行复位。

3.2 UART

• 概述：BL0940可采用UART通信方式，仅需两个低速光耦就能实现隔离通信，固定波特率4800bps，N，8，1.5，工作在从模式，半双工通信。
• 描述：UART端口设置为通信波特率4800bps，无校验，停止位1.5。
• 每个字节格式：起始位低电平持续时间 (t1 = 208us)，有效数据位时间持续 (t2 = 208 * 8 = 1664us)，停止位高电平持续时间 (t3 = 208us + 104us)。
• 写入时序：主机先发送命令字节（0xA8），然后发送寄存器地址字节，接着发送数据字节，最后发送校验和字节。
• 读取时序：主机先发送命令字节（0x58），然后发送寄存器地址字节，BL0940依次发送数据字节和校验和字节。
• 数据包发送模式：通过命令“(0x58) + 0xAA”，BL0940会返回一个全电参数数据包，共35个字节，4800bps用时77ms。
• 保护机制：UART通信提供超时保护机制，字节间间隔时间超过18.5mS，UART接口自动复位；帧识别字节或CHECKSUM字节错误，该帧数据放弃；RX管脚低电平超过6.65mS后拉高，UART模块复位。

四、封装

BL0940采用TSSOP14编带包装，湿敏等级MSL 3，质保期两年，最小包装3000。

综上所述，上海贝岭的BL0940内置时钟免校准计量芯片以其丰富的功能、出色的性能和灵活的通信接口，为电能计量领域提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求合理使用该芯片，充分发挥其优势。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。