上海貝嶺BL0939：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，上海貝嶺的BL0939內(nèi)置時(shí)鐘免校準(zhǔn)計(jì)量芯片憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇。本文將深入剖析BL0939的產(chǎn)品特性、功能實(shí)現(xiàn)以及通訊接口等方面，為電子工程師們提供全面的技術(shù)參考。

文件下載：BL0939.pdf

產(chǎn)品簡(jiǎn)述

功能簡(jiǎn)介

BL0939是一款專(zhuān)為單相多功能電能表、智能插座、智能家電、電動(dòng)自行車(chē)充電樁等應(yīng)用設(shè)計(jì)的電能計(jì)量芯片。它集成了3路高精度Sigma - Delta ADC，可同時(shí)測(cè)量2路電流和1路電壓，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)，還具備快速電流有效值輸出（用于漏電監(jiān)控或過(guò)流保護(hù)）、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)，充分滿(mǎn)足了相關(guān)領(lǐng)域的需求。此外，它還具有專(zhuān)利防潛動(dòng)設(shè)計(jì)，能確保在無(wú)電流時(shí)噪聲功率不被計(jì)入電能脈沖。

主要特點(diǎn)

• 高精度測(cè)量：三路獨(dú)立的Sigma - Delta ADC，可精確測(cè)量?jī)陕冯娏骱鸵宦冯妷?，電流有效值范圍?0mA - 35A（@1mohm），有功電能范圍為1w - 7700w（@1mohm@220V）。
• 免校準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)：批次出廠(chǎng)增益誤差小于1%，在滿(mǎn)足一定外圍元件條件下可免校準(zhǔn)。
• 多功能監(jiān)控：兩路電流通道均具備漏電/過(guò)流監(jiān)控功能，監(jiān)控閾值及響應(yīng)時(shí)間可設(shè)置；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(lèi)型分析。
• 溫度監(jiān)測(cè)：集成溫度傳感器，可滿(mǎn)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。
• 通信方式多樣：集成SPI（最快速率支持900KHz）/UART（4800bps）通信方式，UART支持多芯片帶地址通信（SSOP20L封裝）。
• 電源監(jiān)測(cè)與低功耗：內(nèi)部電源掉電監(jiān)測(cè)，低于2.7V時(shí)芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)；內(nèi)置1.218V參考電壓源和振蕩電路，時(shí)鐘約4MHz；芯片單工作電源3.3V，低功耗10mW（典型值）。
• 封裝選擇：提供SSOP20L/SOP16L兩種封裝。

系統(tǒng)框圖

BL0939的系統(tǒng)框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括電源、內(nèi)部LDO、時(shí)鐘、復(fù)位、ADC、DSP等模塊，各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)的精確測(cè)量和處理。

封裝與管腳描述

BL0939提供SSOP20L和SOP16L兩種封裝，不同封裝的管腳功能基本相似。主要管腳包括電源（VDD）、溫度傳感器信號(hào)輸入（VT）、電流通道模擬輸入（IP1/IN1、IP2/IN2）、電壓信號(hào)輸入（VP）、芯片地（GND）、電壓過(guò)零指示（ZX）、漏電/過(guò)流報(bào)警輸出（I_leak）、電能脈沖輸出（CF）、通信模式選擇（SEL）、SPI時(shí)鐘輸入（SCLK）、UART/SPI復(fù)用管腳（RX/SDI、TX/SDO）等。

寄存器列表

BL0939的寄存器分為電參量寄存器（只讀）和用戶(hù)操作寄存器（讀寫(xiě)）。電參量寄存器用于存儲(chǔ)各種電能參數(shù)，如電流有效值、有功功率、電能脈沖計(jì)數(shù)等；用戶(hù)操作寄存器用于控制芯片的工作模式、進(jìn)行校準(zhǔn)和設(shè)置報(bào)警閾值等。

特殊寄存器說(shuō)明

• 用戶(hù)模式選擇寄存器（0x18 MODE）：可設(shè)置有效值寄存器刷新時(shí)間、交流電頻率、CF管腳輸出功能等。
• 溫度模式控制寄存器（0x1B TPS_CTRL）：用于控制測(cè)溫開(kāi)關(guān)、報(bào)警開(kāi)關(guān)、測(cè)溫選擇、測(cè)溫時(shí)間間隔和外部測(cè)溫報(bào)警閾值等。

性能指標(biāo)

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），BL0939具有良好的電參數(shù)性能，包括電源電壓范圍、功耗、測(cè)量范圍、有功電能測(cè)量精度、有效值測(cè)量精度、快速有效值響應(yīng)時(shí)間、過(guò)零信號(hào)輸出延時(shí)、通道間相角引起的測(cè)量誤差、電源抑制比等。

極限范圍

規(guī)定了電源電壓、模擬輸入電壓、數(shù)字輸入輸出電壓、工作溫度和貯藏溫度的極限范圍，確保芯片在安全的條件下工作。

功能描述

電流電壓瞬態(tài)波形計(jì)量

兩路電流和一路電壓分別通過(guò)模擬模塊放大器（PGA）和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）得到三路1bit PDM給數(shù)字模塊，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)，并存儲(chǔ)在相應(yīng)的波形寄存器中。

有功功率

通過(guò)特定的計(jì)算公式計(jì)算A、B通道的有功功率，寄存器中的Bit[23]為符號(hào)位，用于表示當(dāng)前功率是正功還是負(fù)功。

有功功率偏置校準(zhǔn)

通過(guò)兩個(gè)8位的有功功率偏置校正寄存器（A_WATTOS、B_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，使無(wú)負(fù)載情況下有功功率寄存器的值接近0。

有功功率的防潛動(dòng)

BL0939具有專(zhuān)利功率防潛功能，通過(guò)有功防潛動(dòng)閾值寄存器（WA_CREEP），當(dāng)輸入有功功率信號(hào)絕對(duì)值小于該值時(shí)，輸出有功功率設(shè)為0，避免無(wú)負(fù)載時(shí)小噪聲信號(hào)累積電量。

電能計(jì)量

提供兩通道的電能脈沖計(jì)量，通過(guò)對(duì)兩個(gè)通道有功瞬時(shí)功率按時(shí)間積分，獲得有功電能量，并按比例輸出校驗(yàn)脈沖CF。CFA_CNT和CFB_CNT寄存器保存輸出電能脈沖CF的個(gè)數(shù)，可通過(guò)I/O中斷從CF引腳直接對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

電流電壓有效值

通過(guò)平方電路、低通濾波器、開(kāi)根電路得到有效值的瞬時(shí)值，再經(jīng)過(guò)平均得到三個(gè)通道的平均值?？赏ㄟ^(guò)MODE寄存器設(shè)置有效值平均刷新時(shí)間。

電流電壓有效值偏置校準(zhǔn)

通過(guò)兩個(gè)8位有效值偏置寄存器（IA_RMSOS和IB_RMSOS），以2的補(bǔ)碼形式的數(shù)據(jù)調(diào)整有效值計(jì)算中出現(xiàn)的偏差，使無(wú)負(fù)載情況下有效值寄存器的值接近0。

漏電/過(guò)流檢測(cè)

A和B兩通道均有快速有效值寄存器，可檢測(cè)半周波或周波有效值，用于漏電或過(guò)流檢測(cè)。通過(guò)快速有效值控制寄存器選擇刷新時(shí)間和設(shè)定閾值，當(dāng)快速有效值大于等于閾值時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警輸出指示管腳輸出高電平。

相角計(jì)算

通過(guò)電流和電壓的正向過(guò)零時(shí)間差計(jì)算A、B兩相電流分別與電壓的相間角，結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中。

過(guò)零檢測(cè)

BL0939提供電壓過(guò)零檢測(cè)，由引腳ZX直接輸出過(guò)零信號(hào)，與實(shí)際輸入信號(hào)的時(shí)延為570us。

溫度計(jì)量

提供內(nèi)部測(cè)溫和片外測(cè)溫功能，外部測(cè)溫時(shí)可選輸出報(bào)警指示。外部和內(nèi)部測(cè)溫讀數(shù)分別存于TPS1和TPS2兩個(gè)寄存器中，并可通過(guò)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行增益系數(shù)和偏置系數(shù)校正。

通訊接口

SPI

通過(guò)管腳UART_SEL選擇，與UART復(fù)用。工作在從模式，半雙工通訊，通訊率可配，最大通訊速率900khz，8 - bit數(shù)據(jù)傳輸，MSB在前，LSB在后，固定時(shí)鐘極性/相位（CPOL = 0，CPHA = 1）。寫(xiě)操作和讀操作有特定的幀結(jié)構(gòu)和時(shí)序，同時(shí)SPI接口具有軟復(fù)位功能。

UART

固定波特率4800bps，N，8，1.5，工作在從模式，半雙工通信。UART接口僅需兩個(gè)低速光耦就能實(shí)現(xiàn)隔離通信，20 pin封裝帶片選地址，可設(shè)置器件地址00 - 15。寫(xiě)操作和讀操作有特定的時(shí)序，還支持?jǐn)?shù)據(jù)包發(fā)送模式，通過(guò)特定命令可返回全電參數(shù)數(shù)據(jù)包。同時(shí)，UART接口提供超時(shí)保護(hù)機(jī)制和復(fù)位功能。

訂單信息與封裝

BL0939有SOP16L和SSOP20L兩種封裝可供選擇，濕敏等級(jí)為MSL 3，質(zhì)保期兩年，采用編帶包裝，最小包裝數(shù)量為2500。

綜上所述，上海貝嶺的BL0939內(nèi)置時(shí)鐘免校準(zhǔn)計(jì)量芯片以其豐富的功能、高精度的測(cè)量和良好的性能，為電子工程師在電能計(jì)量領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。你在使用這款芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？或者對(duì)于其功能還有哪些疑問(wèn)？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。