上海贝岭 BA7755 单相双向电能计量芯片：高精度计量的理想之选

在电能计量领域，高精度、高稳定性的计量芯片至关重要。上海贝岭的 BA7755 单相双向电能计量芯片凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为了众多电子工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

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一、芯片特点

高精度与稳定性

BA7755 在输入动态工作范围（500:1）内，非线性测量误差小于 0.1%，校表过程中输出频率波动小于 0.1%。这意味着它能够在较宽的输入范围内保持高精度的测量，为电能计量提供可靠的数据支持。

双向计量与防窃电功能

该芯片可以精确测量正、负两个方向的有功功率，并以同一方向计算电能。同时，逻辑输出脚 REVP 用于显示反向用电或者错误用电状况，大大增强了电表的防窃电能力。

灵活的电流通道增益

电流通道增益可变，在电流通道输入端可以使用小的分流电阻，这为电路设计提供了更多的灵活性。

多用途脉冲输出

慢速输出脉冲能直接驱动电机工作，快速输出脉冲可用于计算机数据处理，满足不同的应用需求。

其他功能特性

芯片上有电压检测电路，可检测掉电状况，还具有防潜动功能。此外，芯片自带参考电压源 2.42V±8%（温度系数典型值 30ppm/℃），也可以使用外部电压源，单工作电源 5V，低功耗 15mW（典型值），采用 0.35um CMOS 工艺，保证了批量的一致性和产品可靠性。

二、芯片概述

BA7755 是电子式电度表的核心计量芯片，采用过采样和数字信号处理技术，大大提高了测量准确度。A/D 转换后的数据均由数字电路进行运算和处理，保证了芯片的长期稳定性。基于此芯片设计的电子式电度表具有外围电路简单、精度高、稳定性好等特点，适用于单相两线电力用户的电能计量。

三、管脚与框图

BA7755 采用 SSOP 24 封装，各管脚具有不同的功能。例如，DVDD 和 AVDD 分别为数字部分和模拟部分提供 +5V 电源，V1P、V1N 为电流采样信号的正、负输入脚，V2N、V2P 为电压采样信号的负、正输入脚等。详细的管脚描述如下表所示：	管脚号	符号	说明
1	DVDD	正电源( +5V )，提供数字部分电源，正常工作时电源电压应该保持在 5V ± 5% 之间。
2	ACDC	数字高通滤波器选择脚，高电平有效(典型连接接高电平)。
3	AVDD	正电源( +5V )，提供模拟部分电源，正常工作时电源电压应该保持在 5V ± 5% 之间。
4	NC	空脚
5,6	V1P,V1N	电流采样信号的正，负输入脚。最大差分输入电压为  660mV 。
7,8	V2N,V2P	电压采样信号的负，正输入脚。最大差分输入电压为  660mV 。
9	/RESET	复位引脚，低电平有效。
10	VREF	参考电压调整端，片内基准电压标称值在 2.5  8%，温度系数典型值为 30ppm/  C 。允许使用外部 2.5V 电压输入。
11	AGND	内部模拟电路的接地点。
12	SCF	高频校验脉冲选择端，与 S1,S0 组合起来选择 CF 的输出频率。
13,14	S1,S0	通过 S1,S0 的组合可以针对不同的电表常数选择不同的输出频率，为电表设计提供更大的选择范围。
15,16	G1,G0	用来选择电流通道的系统增益。
17	CLKIN	外部时钟引入或与 CLKOUT 之间接晶振
18	CLKOUT	时钟驱动脚或与 CLKIN 之间接晶振
19	NC	空脚
20	REVP	负向有功功率指示信号，当电流通道和电压通道输入信号的相位差大于 90  时，该脚输出高电平。
21	DGND	内部数字电路接地点
22	CF	高速校验脉冲输出脚，输出频率正比与瞬时有功功率的大小，可以有多种选择。
23,24	F1,F2	低速逻辑输出脚，其输出频率正比于平均有功功率的大小， F1,F2 为非交叠输出，可以驱动机电式计度器或两相步进电机。

四、极限范围与电参数

极限范围

芯片的模拟电源电压 AVDD 和数字电源电压 DVDD 范围为 -0.3~+7(max)V，DVDD 相对 AVDD 为 -0.3~+0.3V，输入电压（相对于 AGND）在 VSS+0.5 ≤ V ≤ VDD-0.5 之间，工作温度范围为 -40~+85℃，贮藏温度范围为 -55~+150℃，最大功耗为 400mW。

常温电特性

在 (T = 25^{circ}C)，AVDD = 5V，DVDD = 5V，(CLKIN = 3.58MHz) 的条件下，芯片的各项电参数如下：

• 电源电流：模拟电源电流 IAVDD 典型值为 2mA，数字电源电流 IDVDD 典型值为 1mA。
• 逻辑输入脚：输入高电平 VIH 为 2V，输入低电平 VIL 为 1V，输入电容 CIN 最大为 10pF。
• 逻辑输出脚：输出高电平 VOH 典型值为 4.4V，输出低电平 VOL 最大为 0.5V，输出电流 IO 典型值为 10mA。
• 基准参考电压：Vref 典型值为 2.5V，温度系数典型值为 30ppm/℃。
• 模拟输入脚：最大输入电平 VAIN 为  1V，直流输入阻抗为 330Kohm，输入电容为 6 - 10pF。
• 精度：电流通道在不同增益下的非线性测量误差小于 0.1%，两个通道相位误差在特定条件下小于 0.1 度。
• 其他参数：防潜阈值在 Ib = 5A 时为 0.0015 - 0.003%，负向有功功率测量误差最大为 0.1%，增益误差为  5%，增益匹配误差为 0.2 - 1%，电源监控电路检测电平（掉电检测电平）为 3.9 - 4.1V。

五、指标说明

非线性误差

BA7755 的电压通道输入固定交流电压 Vv 为 110mV，功率因数 (cos varphi = 1) 时，Pin 5 与 Pin6 之间电压 Vi 在对应与 5%Ib~800%Ib 范围内，任何一点输出频率相对于 Ib 点的测量非线性误差小于 0.1%。

防潜阈值

典型情况下，CF 输出所代表的最小功率为满量程输出的 0.0015%，对于低于该阈值的功率，不输出计量脉冲。

正负输入功率

指 Pin8 - Pin7 间的电压采样信号 V(V) 与 Pin5 - Pin6 间的电流通道输入信号 V(I) 乘积 V(V)V(I)cos 的符号，大于零为正功，小于零为负功。

正、负向有功功率误差

在相等的有功功率条件下，在 (V(V) = pm 110 mV)、V(I) 对应 Ib(5A) 点，BA7755 测得的负向有功功率与正向有功功率之间的相对误差计算公式为 (eNP % = |[(eN % - eP %) /(1 + eP %)] * 100 % |)。

增益误差

由于工艺偏差造成的芯片与芯片的增益略有不同，这种偏离相对于标称值的百分比为增益误差。

增益匹配误差

同一芯片中，不同增益选择条件下，对于相同输入功率，输出频率的误差。

电源监控电路检测电平（掉电检测电平）

片内电源监测电路检测电源变化情况，当电源电压低于 4 伏左右时，内部电路被复位；当电源电压超过该值时，电路恢复工作在正常状态。

六、时序特性

在 (AVDD = DVDD = 5V)，(AGND = DGND = 0V)，使用片内基准电压源，(CLKIN = 3.58MHz)，温度 -40~+85℃ 的条件下，芯片的时序特性如下：	参数	数值	说明
t1	275ms	F1 和 F2 的低电平脉宽，在低功率时，F1，F2 输出定脉宽为 275ms。当计量大功率时，F1，F2 输出周期小于 550ms 时，F1，F2 的脉宽为周期的一半。
t2		F1，F2 输出低速脉冲周期，见 BA7755 计算公式。
t3	t2 周期的一半	F1 下降沿到 F2 下降沿之间的时间。
t4	90ms	高速输出脉冲 CF 的高电平脉宽，在计量小功率时，CF 定脉宽为 90ms。当计量大功率时，CF 输出周期小于 180ms 时，CF 的脉宽为周期的一半。当 SCF = 0，S1 = S0 = 1 的高频模式时，CF 的脉宽为 20us。
t5		CF 输出高速脉冲频率，见 CF 与 F1，F2 之间关系及 BA7755 计算公式。
t6	CLKIN/4	F1，F2 之间的最小时间间隔。

七、工作原理

电能计量原理

电能计量主要把输入的电压和电流信号按照时间相乘，得到功率随着时间变化的信息。假设电流电压信号为余弦函数，并存在相位差 Ф，功率计算公式为 (p(t) = V cos (w t) × I cos (w t + Phi))。理想的 p(t) 只包括直流部分和频率为 (2 omega) 的交流部分，前者又称为即时实功率信号，是电能表测量的首要对象。

电能计量信号流

电能计量信号流在通过对电流电压信号高精度采样及模数转换后，电流电压信号通过数字乘法器得到瞬态功率信号 (p(t))。让 p(t) 通过一个截至频率很低（如 1Hz）的取直低通滤波器，把即时实功率信号取出来。然后对该实功率信号对时间进行积分，得到能量的信息。输出的脉冲信号的频率与能量消耗的大小成正比，输出脉冲送到片外的计数马达，最终得到能量消耗的大小的计数值。

输入的直流成分对测量结果的影响

如果输入的两路信号同时具有直流成分，会给即时实功率带来误差，还会在 ω 频率处出现分量，影响即时实功率的输出。而当电压或电流中的一路经过数字高通滤波器后，乘法的结果有了很大的改善。

电压通道与电流通道输入

电压通道和电流通道允许最大输入差分电压为  660mV，共模电压 100mV，共模电压为 0V 时效果最好。电压通道可以用 PT（电压互感器）或电阻分压网络提供电压信号。

八、工作方式

芯片工作计算公式

BA7755 对输入的电压和电流两个通道的输入电压求乘积，并通过信号处理，把获取的有功功率信息转换成频率。以低电平有效的方式从 F1,F2 脚输出与功率相关的频率信号。实际功率的输出脉冲（F1,F2）计算公式为 (Freq = frac{8.34 × V(V) × V(I) × gain × F{Z}}{V{R E F}^{2}})，其中 Freq 为引脚 F1,F2 输出脉冲频率，V(V) 为电压通道的输入电压的有效值，V(I) 为电流通道的输入电压有效值，Gain 为电流通道的系统增益，由 G0 和 G1 的逻辑输入决定，Vref 为基准电压（2.5  8%），Fz 由主时钟分频获得，分频系数由 S0 和 S1 确定。

工作模式选择

Pin12(SCF)、Pin13(S1)、Pin14(S0) 是 BA7755 芯片模式选择管脚，可以通过接不同的电压（+5V,0V）来调整芯片的工作模式，Pin22(CF)、Pin23(F1)、Pin24(F2) 的输出频率与 Pin12(SCF)、Pin13(S1)、Pin14(S0) 输入脚关系如下表所示：	模式	SCF	S1	S0	CF 对 F1,F2 的频率比
1	1	0	0	128
2	0	0	0	64
3	1	0	1	64
4	0	0	1	32
5	1	1	0	32
6	0	1	0	16
7	1	1	1	16
8	0	1	1	2048

系统增益选择

通过选择数字输入端 G0,G1 的输入电平（5V 或 0V），可以调整电流通道的系统增益，在增大系统增益的同时，减小了输入的动态范围，具体选择见下表：	G1	G0	增益	最大输入差分电压
0	0	1	 660mV
0	1	2	 330mV
1	0	8	 82mV
1	1	16	 41mV

输入及输出范围

电流通道和电压通道允许最大输入差分电压为  660mV，共模电压 100mV。对应允许 CF,F1,F2 最高输出频率如下表所示：	SCF	S1	S0	Fz	F1,F2 最高输出频率 (Hz)	CF 最高输出频率 (Hz)
直流	交流	直流	交流
1	0	0	1.7	0.72	0.36	128 × F1,F2 = 92.16	128 × F1,F2 = 46.08
0	0	0	1.7	0.72	0.36	64 × F1,F2 = 46.08	64 × F1,F2 = 23.04
1	0	1	3.4	1.44	0.72	64 × F1,F2 = 92.16	64 × F1,F2 = 46.08
0	0	1	3.4	1.44	0.72	32 × F1,F2 = 46.08	32 × F1,F2 = 23.04
1	1	0	6.8	2.88	1.44	32 × F1,F2 = 92.16	32 × F1,F2 = 46.08
0	1	0	6.8	2.88	1.44	16 × F1,F2 = 46.08	16 × F1,F2 = 23.04
1	1	1	13.6	5.76	2.88	16 × F1,F2 = 92.16	16 ×