功率计量芯片HLW8012介绍与应用

                   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

1、HLW8012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
（4）5V单电源供电，工作电流小于3mA
2、HLW8012输入输出



          图1芯片引脚图
l 模拟信号输入
（1）V1P，V1N输入电流采样信号：峰峰值VP-P：±43.75mV，最大有效值：±30.9mV。
（2）V2P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CF（PIN6）：指示功率，计算电能；输出占空比为1:1的方波。
（2）高频脉冲CF1（PIN7）：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：MCU与HLW8012的接口不是使用协议进行读取，而是通过测量CF、CF1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



             图2  芯片内部框图
HLW8012内部带有2路PGA及ADC，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：

序	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	约35mA（电容为0.68uF时）
2	体积	小	大
3	成本	高	低
4	可靠性	高	低
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。
（1）AC-DC非隔离电源
下图是其中一种AC-DC非隔离电源，L与N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。



               图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：



                  图4  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。



             图5  电能计量电路
3、MCU与HLW8012的接口
MCU与HLW8012的接口有2种情况：MCU与HLW8012直连、MCU通过光耦与HLW8012连接
（1）MCU与HLW8012直连



             图6  MCU与HLW8012直连
若MCU与HLW8012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：

序	测量参数	b69c MCU与HLW8012连接
1	功率，电量	1个IO口（1个外部中断）
2	功率，电量 + 电流/电压	2个IO口（2个外部中断）
3	功率，电量 + 电流 + 电压	3个IO口（2个外部中断,1个GPIO）

（2）MCU通过光耦与HLW8012连接



      图7  MCU通过光耦与HLW8012连接
  若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：



           图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，CF、CF1与MCU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。