功率计量芯片HLW8012介绍及应用

1/7介绍与应用一、引言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；SOP8封装，体积小，广泛应用于智能家电、节能插座，智能路灯、智能LED灯等应用场合。本文主要内容：1、HLW8012介绍；2、HLW8012应用硬件电路；3、HLW8012脉冲软件测量；4、HLW8012应用场合及展望。二、、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3mA2、HLW8012引脚图1VDDVIPVINGNDCFCF1SELV2PHLW80122345678CF电流采样信号Vmax_rms:±30.9mV选择CF1输出电流/电压值电流/电压值有功功率值电压采样信号Vmax_rms:±495mV图1芯片引脚图引脚序号引脚名称输入/输出说明1VDD芯片电源芯片电源2，3V1P，V1N输入电流差分信号输入端，最大差分输入信号为±43.75mV4V2P输入电压信号正输入端。最大输入信号±700mV5GND芯片地芯片地6CF输出输出有功高频脉冲，占空比50%7,CF1输出SEL=0，输出电流有效值，占空比50%；SEL=1，输出电压有效值，占空比50%；8SEL输入配置有效值输出引脚，带下拉2/7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。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、芯片内部框图ADCADCActivePowerI_rmsV_rmscalculationVoltagetoFrequencyConverterSigma_ISigma_VReferenceVoltage2.43VInternalClockPowerOnReset1kV1PV1NVDDGNDSELCF1CFV2PPGAPGA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。三、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。外围硬件主要包含几部分：电源电源、功率计量电路、MCU接口。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：3/7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3AC-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4/7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、功率计量电路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6MCU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IO5/7口。接口资源如下表：序测量参数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7MCU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。四、HLW8012脉冲软件测量HLW8012的脉冲输出图如下：CF、CF11……T23N-1N图8HLW8012脉冲1、脉冲测量原理测量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。测量到周期之后就可以根据比例关系计算功率值、电压值、电流值。2、脉冲测量方法为了提高测量精度，CF、CF1与MCU外部中断IO相连，外部中断模式设置为下降沿触发中断，使用MCU外部中断来确定2次中断间隔，使用MCU定时器来测量相邻2次外部中断的时间间隔。6/7、软件流程图脉冲测量的程序主要是在中断服务子程序中运行，相关流程图如下：测量功率？YEnd周期测量结束测量电压？记录电压脉冲周期YN测量电流？YNN记录功率脉冲周期电能计数器累加记录电流脉冲周期外部中断服务子程序图9外部中断服务子程序计时器超时？NEnd周期测量结束Y计时器加1定时中断服务子程序图10定时中断服务子程序周期测量结束的操作(1)保存脉冲时间(2)保存脉冲个数(1)清零脉冲时间(2)清零脉冲个数图11周期测量结束的操作按照以上流程图，得到功率、电压、电流的脉冲周期之后，功率值、电压值、电流值计算都在大循环程序中运行。7/7五、HLW8012应用展望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。