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功率计量芯片HLW8012介绍与应用
许文工 | 2017-11-09 10:15:28    阅读:3386   发布文章

功率计量芯片HLW8012介绍与应用

 

[摘要]HLW8012是深圳市合力为科技推出的单相电能计量芯片,可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值,广泛应用于智能家电、智能电能采集终端,如WIFI智能插座、普通计量插座、电视智能节能插座、电脑智能节能插座,智能路灯、智能LED灯等应用场合。本文主要介绍HLW8012的特点、外围电路、软件设计。

[关键词]HLW8012 电能计量芯片  功率计量芯片  智能节能插座  智能电能采集终端

 

一、HLW8012介绍

1HLW8012主要特性

1)高频脉冲CF,指示有功功率,在1000:1范围内达到±0.3%的精度

2)高频脉冲CF1,指示电流或电压有效值,使用SEL选择,在500:1范围内达到±0.5%的精度

3)内置晶振、2.43V电压参考源及电源监控电路

45V单电源供电,工作电流小于3mA

2HLW8012输入输出

                                              1-1.png

1芯片引脚图

l  模拟信号输入

1V1PV1N输入电流采样信号:峰峰值VP-P±43.75mV,最大有效值:±30.9mV

2V2P输入电压采样信号:峰峰值VP-P±700mV,最大有效值:±495mV

l  数字信号输出

1)高频脉冲CFPIN6):指示功率,计算电能;输出占空比为1:1的方波。

2)高频脉冲CF1PIN7):指示电流或电压有效值,SEL选择;输出占空比为1:1的方波。

注:MCUHLW8012的接口不是使用协议进行读取,而是通过测量CFCF1引脚输出高频脉冲的周期来计算功率、电流、电压值。

3、工作原理

1-2.png

芯片内部框图

HLW8012内部带有2PGAADC,对电流、电压采样信号进行模数转换,得到数字信号,芯片内部计算有功功率值、电流有效值、电压有效值,经过频率转换模块,HLW8012将有功功率值、电流有效值、电压有效值转换为方波脉冲输出(占空比1:1),各数值的大小与频率的大小成正比,与周期的大小成反比。

二、HLW8012应用硬件设计

所有电能计量测量,电压、电流通道的采样方式有2种:互感器采样方式、电阻采样方式。互感器采样方式成本高,本文只介绍电阻采样方式。

1、电源电路

为了配合电阻采样方式(即从电网直接采样,非隔离),电源电路必须为非隔离电源,非隔离电源有2种方式:AC-DC非隔离电源、阻容降压电源。两者的比较如下:

项目

AC-DC非隔离电源

阻容降压电源

1

驱动电流(5V时)

最大可达到150mA

35mA(电容为0.68uF时)

2

体积

3

成本

4

可靠性

5

输入电压影响驱动能力

基本不影响

电压下降,驱动能力下降

6

零负载功耗

基本为零

与驱动电流一致

用户可根据产品的不同要求,选用不同的电源电路。

1AC-DC非隔离电源

下图是其中一种AC-DC非隔离电源,LN分别是交流电压的火线与零线,以零线作为地线。此设计得到电压为5V,驱动电流大约在50mA,可以根据产品需求增加一些元器以提高驱动能力。

1-3.png

3  AC-DC非隔离电源

2)阻容降压电源

下图是低成本的阻容降压电源,以零线作为地线:

1-4.png

阻容降压电路

经安规电容C1降压,二极管整流后,采用1N4738将电源降压至8.2V,再经过稳压芯片78L05将输出电源稳定在5V,给HLW8012提供电源。选用0.68uF的安规电容,电源电路大约可以提供20mA-30mA的驱动电流;如果需要设计更小体积的系统,可以选用0.47uF的小体积的安规电容,驱动电流约在15mA。如果需要驱动继电器,建议使用更大的电容,比如1uF

2、电能计量电路

HLW8012集成内置振荡器、参考电源,外围电路非常简单,主要包括电流、电压的采样。电流信号是通过康铜电阻对负载的工作电流进行采样,电压信号是通过电阻网络分压采样。

须注意康铜电阻的接法:一端与GND连接,另一端再与负载连接。

1-5.png

电能计量电路

3MCUHLW8012的接口

MCUHLW8012的接口有2种情况:MCUHLW8012直连、MCU通过光耦与HLW8012连接

1MCUHLW8012直连

1-6.png

6  MCUHLW8012直连

MCUHLW8012的工作电源为同一个,且MCU其它控制不需要隔离措施,那么MCU可以与HLW8012的接口直连。HLW8012高频脉冲引脚连接MCU的外部中断,SEL连接普通IO口。接口资源如下表:

测量参数

MCUHLW8012连接

1

功率,电量

1IO口(1个外部中断)

2

功率,电量 + 电流/电压

2IO口(2个外部中断)

3

功率,电量 + 电流 + 电压

3IO口(2个外部中断,1GPIO

2MCU通过光耦与HLW8012连接

1-7.png

7  MCU通过光耦与HLW8012连接

MCU工作电源为隔离电源,则与HLW8012的连接必须通过光耦隔离,MCU的接口资源需要如上表。

三、HLW8012软件设计

HLW8012的脉冲输出图如下:

1-8.png

8  HLW8012脉冲

1、测量脉冲的原理

测量1个脉冲周期的长短,就是测量相邻2个下降沿(或上升沿)的时间间隔T。为了提高测量精度,CFCF1MCU外部中断IO相连(下降沿触发中断),MCU通过定时器来测量相邻2次外部中断的时间间隔。

2、软件测量方法

设置定时器1ms,一直运行,定时中断服务子程序中,各个计时器(RAM,在测量开始的第1个外部中断清零)加1。为了提高测量精度与速度,针对脉冲周期在不同段,测量方法不同:

A、若相邻2个外部中断的时间长度>=100ms,则此时间长度即为脉冲周期T。测量误差<1%

B、若相邻2个外部中断的时间长度<100ms,在采到第N个完整脉冲,且时间>1s时完成一次测量。t是指第1个到第N个脉冲的时间。那么脉冲周期T = t / N。t的误差是1ms,且t>1s,所以此方法测量误差<0.1%。

四、结语

HLW8012可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值,外围元器件少,SOP8封装,适合于许多电能测量场合,尤其是体积要求小的产品。插座类如:计量插座、WIFI智能插座、电视脑智能节能插座、电脑智能节能插座等;智能采集器如:智能路灯采集终端。

随着智能家电的发展,内部集成的传感器越来越多,电能计量模块将会是最基本的“传感器”之一,它可以“感知”家电的真实状态:若没有功率,表示家电确认关闭,若有功率,表示家电仍在工作。电能计量模块可以统计耗电量,检测当前电压、电流是否正常,若出现异常状态,执行相应的处理措施。所以随着智能家电的发展,家电越来越智慧,电能计量的应用将会更加广泛。


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廖工  2019-11-07 17:37:02 

资料很详细,已下载

张工001  2019-09-19 11:14:54 

非常不错的资料,期待再次分享

袁浅  2019-07-31 16:39:26 

资料蛮实用的,学习一下

廖工  2019-07-17 14:24:24 

谢谢资源分享,已收藏

叶苏巧  2019-07-08 17:06:20 

好东西,谢谢这位同学的分享

赵默  2019-07-02 16:21:20 

学习学习,谢谢分享,干货,很有用

廖工  2019-04-08 17:47:44 

讲的不错,可以参考,评论一下

叶苏巧  2019-01-09 16:36:36 

很棒,很详细

叶苏巧  2018-11-14 18:16:50 

黑龙江11选5过来支持一下,学习学习,涨知识了,写的很赞!

张工001  2018-11-12 16:34:10 

很不错的分享,了解芯片知识,很棒,需要会联系

张工001  2018-10-24 10:20:47 

好东西干货,期待下次的更新,涨知识了,很棒!!!

袁浅  2018-08-14 21:29:20 

期待下次内容的更新,支持

赵默  2018-08-09 14:29:37 

写的很棒,很详细,可以学习

廖工  2018-06-27 12:01:25 

谢谢分享,想了解这款芯片

张工001  2018-06-12 12:07:10 

非常不错的资料,谢谢分享,期待下次更新

13827857826  2018-05-21 10:17:58 

学习了,谢谢分享

叶苏巧  2018-05-16 13:09:48 

这款计量芯片不错

合力为小默  2018-01-22 10:23:27 

谢谢您的分享

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