功率计量芯片HLW8012介绍及应用

功率计量芯片HLW8012介绍及应用

功率计量芯片HLW8012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3mA 2、HLW8012引脚图

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VDD

VIP

VIN

CF1

SEL

V2P

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CF

选择CF1输出

电流/电压值

/电压值

图1芯片引脚图

引脚序号

引脚名称 输入/输出 说明

1 VDD 芯片电源 芯片电源

2,3 V1P ,V1N 输入 电流差分信号输入端,最大差分输入信号为±43.75mV 4 V2P 输入 电压信号正输入端。最大输入信号±700mV 5 GND 芯片地 芯片地

6 CF 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%; 8 SEL

输入

配置有效值输出引脚,带下拉

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● 模拟信号输入

(1)V1P ,V1N 输入电流采样信号:峰峰值V P-P :±43.75mV ,最大有效值:±30.9mV 。 (2)V2P 输入电压采样信号:峰峰值V P-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

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SEL

CF1CF

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:

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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

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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

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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6 MCU 与HLW8012直连

若MCU 与HLW8012的工作电源为同一个,且

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MCU 其它控制不需要隔离措施,那么

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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

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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

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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

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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:

图8 HLW8012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。

3、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:

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图9 外部中断服务子程序

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图10 定时中断服务子程序

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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。

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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。

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