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基于电能计量芯片HLW8012的应用研究
许文工 | 2018-01-15 20:46:11    阅读:4640   发布文章

基于电能计量芯片HLW8012应用研究

 

[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应用设计。

[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

                                              01.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。

二、HLW8012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(即从电网直接采样信号,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50mA,根据产品需求可以增加元器件提高驱动能力。

02.png

2  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:

03.png

阻容降压电源

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,外围电路简单,主要包括电流、电压的采样。电流信号是通过锰铜电阻(R29)对负载电流进行采样,电压信号是通过电阻网络(R21, R22, R23, R24, R26)分压采样,电路设计如下:

04.png

电能计量电路

电压通道采样得到的电压信号不能超过495mV,电流通道采样得到的电压信号不能超过30.9mV。一般情况,电压通道采样电阻网络可以如上图比值即可。

电流通道的锰铜电阻需根据不同最大电流值选择不同阻值,建议表如下:(电流采样电阻额定功率建议>=2W

最大电流

锰铜电阻阻值

1

5A

5mΩ

2

10A

2mΩ

3

16A

1mΩ

4

20A

1mΩ

注意锰铜电阻的接法:一端与GND连接,另一端与负载连接。

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

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。

05.png

5  MCUHLW8012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

MCU工作电源为隔离电源,则与HLW8012的连接必须通过光耦隔离,再连接光耦输出或输入。MCU的接口资源与直接情况下的一致。

HLW8012与光耦连接的电路如下图。

06.png

6  MCU通过光耦与HLW8012连接

4HLW8012部分PCB Layout注意事项

1)芯片电源引脚处的去耦电容尽量靠近芯片的引脚。

2)电压通道电阻分压网络,应呈阶梯式分布,逐渐降压,从输入端高压直至计量芯片的取样电压,注意电阻之间的爬电距离。

3)电流采样电阻的地线应和其它地线分开布线,以最短路径走线到主板参考地线输入端(如零线),减少其它信号对采样信号的干扰。

4)采样信号线走线要平行且靠近,尽量缩短布线,减小外界对采样信号的干扰。

5)芯片的地线要能够快速回到电源输入端压敏电阻的地上,减小地线对计量芯片的干扰。

6)电源走线不要走成环形,环形的电源走线容易受外界的电磁场干扰。

7)电压取样连接线要和锰铜取样连接线分隔一定距离,以免相互干扰。

8)所有引线不宜太长,尤其是PCB装配固定后,所有引线不能直接接触计量芯片及其它外围电路。确实无法避免时,所有导线应分组加黄蜡套管,提高绝缘度。

三、HLW8012软件设计

HLW8012的脉冲输出图如下:

07.png

7  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%

3、流程图

主要阐述测量HLW8012输出脉冲周期的流程图。脉冲周期的测量主要是计时、计数,运行于中断服务子程序中。以下是外部中断、定时器中断服务子程序:


 

08.png

09.png

         以上是中断服务子程序中运行的内容,多脉冲测量的周期计算、功率值、电压值、电流值等都在大循环程序中运行。

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 17:17:37 

资料很详细,已下载

张工001  2019-09-19 11:20:32 

非常不错的资料,期待再次分享

袁浅  2019-07-31 16:56:56 

资料蛮实用的,学习一下

廖工  2019-07-17 14:42:18 

谢谢资源分享,已收藏

叶苏巧  2019-07-08 17:22:23 

好东西,谢谢这位同学的分享

廖工  2019-04-09 15:08:56 

讲的不错,可以参考,评论一下

叶苏巧  2019-01-09 16:51:04 

很棒,很详细

叶苏巧  2018-11-14 18:03:12 

过来支持一下,学习学习,涨知识了,写的很赞!

张工001  2018-11-12 16:31:39 

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 10:23:56 

黑龙江11选5好东西干货,期待下次的更新,涨知识了,很棒!!!

袁浅  2018-08-14 21:24:37 

写的很棒,期待下次内容的更新,支持

赵默  2018-08-09 14:34:25 

写的很棒,很详细,可以学习

赵默  2018-07-20 11:09:48 

多谢分享,帮助很大

廖工  2018-06-27 11:48:01 

这款芯片有成功案例吗!

张工001  2018-06-12 11:57:16 

写的不错,多谢分享

13827857826  2018-05-21 10:23:40 

黑龙江11选5想了解你这款芯片的更多知识,期待更新

叶苏巧  2018-05-16 10:37:54 

过来支持一下,多多学习

合力为小默  2018-01-22 09:55:50 

过来学习一下

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