功率計量芯片HLW8012介紹與應用一、引言HLW8012是深圳市合力為科技推出的單相電能計量芯片，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值；SOP8封裝，體積小，廣泛應用LED燈等應用場合。本文主要內容：1、HLW8012介紹；2、HLW8012應用；4、HLW8012應用于智能家電、節能插座，智能路燈、智能硬件電路；3、HLW8012脈沖軟件測量場合及展望。二、、HLW8012介紹1、HLW8012主要特性（1）高頻脈沖CF，指示有功功率，在1000:1范圍內達到±0.3%的精度（2）高頻脈沖CF1，指示電流或電壓有效值，使用SEL選擇，在500:1范圍內達到±0.5%的精度（3）內置晶振、2.43V電壓參考源及電源監控電路（4）5V單電源供電，工作電流小于3mA2、HLW8012引腳圖選擇CF1輸出電流/電壓值VDDSELCF1CF18765VIP電流/電壓值2HLW8012CF電流采樣信號Vmax_rms:±30.9mVVINV2P有功功率值34電壓采樣信號Vmax_rms:±495mVGND圖1芯片引腳圖引腳序號引腳名稱輸入/輸出芯片電源芯片電源說明1VDD2，3V1P，V1N輸入輸入電流差分信號輸入端，最大差分輸入信號為±43.75mV4V2P電壓信號正輸入端。最大輸入信號±700mV5GND芯片地芯片地6CF高頻脈沖，占空比50%輸出輸出輸出有功7,CF1SEL=0，輸出電流有效值，占空比50%；SEL=1，輸出電壓有效值，占空比50%；配置有效值輸出引腳，帶下拉8SEL輸入1/7模擬信號輸入（1）V1P，V1N輸入電流采樣信號：峰峰值V：±43.75mV，最大有效值：±30.9mV。V：±700mV，最大有效值：±495mV。P-PP-P（2）V2P輸入電壓采樣信號：峰峰值數字信號輸出（1）高頻脈沖CF（PIN6）：指示功率，計算電能；輸出占空比為1:1的方波。SEL選擇；輸出占空比為1:1的方波。CF、CF1引腳輸出高頻脈（2）高頻脈沖CF1（PIN7）：指示電流或電壓有效值，注：MCU與HLW8012的接口不是使用協議進行讀取，而是通過測量沖的周期來計算功率、電流、電壓值。3、芯片內部框圖VDDInternalClockPowerOnResetSELV1PV1NPGAPGAADCADCSigma_IActivePowerI_rmsV_rmsVoltagetoFrequencyConverterCF1CFcalculationV2PSigma_V1kReferenceVoltage2.43VGND圖2芯片內部框圖HLW8012內部帶有2路PGA及ADC，對電流、電壓采樣信號進行模數轉換，得到數字信號，芯片內部計算有功功率值、電流有效值、電壓有效值，經過頻率轉換模塊，HLW8012將有功功率值、電流有效值、電壓有效值轉換為方波脈沖輸出（占空比1:1），各數值的大小與頻率的大小成正比，與周期的大小成反比。三、HLW8012應用硬件設計所有電能計量測量，電壓、電流通道的采樣方式有2種：互感器采樣方式、電阻采樣方式?；ジ衅鞑蓸臃绞匠杀靖撸疚闹唤榻B電阻采樣方式。外圍硬件主要包含幾部分：電源電源、功率計量電路、MCU接口。1、電為了配合電離電源有2種方式：AC-DC非隔離電源、阻容降壓電源電路阻采樣方式（即從電網直接采樣，非隔離），電源電路必須為非隔離電源，非隔源。兩者的比較如下：2/7序項目AC-DC非隔離電源阻容降壓電源123456驅動電流（時）最大可達到150mA5V約（電容為35mA0.68uF時）大體積成本可靠性小高高低低輸入電壓影響驅動能力基本不影響電壓下降，驅動能力下降與驅動電流一致零負載功耗基本為零用戶可根據產品的不同要求，選用不同的電源電路。（1）AC-DC非隔離電源下圖是其中一種AC-DC非隔離電源，線。此設計得到電壓為5V，驅動電流大約在50mA，可L與N分別是交流電壓的火線與零線，以零線作為地以根據產品需求增加一些元器以提高驅動能力。圖3AC-DC非隔離電源（2）阻容降壓電源下圖是低成本的阻容降壓電源，以零線作為地線：圖4阻容降壓電路后，采用1N4738將電源降壓出電源穩定在5V，給HLW8012提供電源。選用0.68uF的安規電容，電源電路大約可以提供20mA-30mA的驅動電流以選用0.47uF的小體積的安規經安規電容C1降壓，二極管整流至8.2V，再經過穩壓芯片78L05將輸；如果需要設計更小體積的系統，可3/7電容，驅動電流約在15mA。如果需要驅動繼電器，建議使用更大的電容，比如1uF。2、功率計量電HLW8012集成內置振蕩器、參考電源，外圍電路非常簡單，主要包括電流、電壓的采樣。路電流信號是通過康銅電阻對負載的工作電流進行采樣，電壓信號是通過電阻網絡分壓采樣。須注意康銅電阻的接法：一端與GND連接，另一端再與負載連接。圖5電能計量電路3、MCU與HLW8012的接口MCU與HLW8012的接口有2種情況：MCU與HLW8012直連、MCU通過光耦與HLW8012連接（1）MCU與HLW8012直連圖6MCU與HLW8012直連若MCU與HLW8012的工作電源為同一個，且MCU其它控制不需要隔離措施，那么MCU可以與HLW8012的接口直連。HLW8012高頻脈沖引腳連接MCU的外部中斷，SEL連接普通IO4/7口。接口資源如下表：序測量參數MCU與HLW8012連接1231個口（個外部中斷）IO1功率，電量功率，電量電流電壓+2個口（個外部中斷）/IO2功率，電量電流電壓個口（個外部中斷個）+IO+32,1GPIO（2）MCU通過光耦與HLW8012連接圖7MCU通過光耦與HLW8012連接若MCU工作電源為隔離電源，則與HLW8012的連接必須通過光耦隔離，MCU的接口資源需要如上表。四、HLW8012脈沖軟件測量HLW8012的脈沖輸出圖如下：1T23N-1NCF、CF1……圖8HLW8012脈沖1、脈沖測量原理測量1個脈沖周期的長短，就是測量相鄰2個下降沿(或上升沿)的時間間隔T。測量到周期之后就可以根據比例關系計算功率值、電壓值、電流值。2、脈沖測量方法為了提高測量精度，CF、CF1與MCU外部中斷IO相連，外部中斷模式設置為下降沿觸發中斷，使用MCU外部中斷來確定2次中斷間隔，使用MCU定時器來測量相鄰2次外部中斷的時間間隔。5/73、軟件流程圖脈沖測量的程序主要是在中斷服務子程序中運行，相關流程圖如下：外部中斷服務子程序N測量功率？YN測量電壓？Y記錄功率脈沖周期電能計數器累加N記錄電壓脈沖周期測量電流？Y周期測量結束記錄電流脈沖周期End圖9外部中斷服務子程序定時中斷服務子程序Y計時器超時？N計時器加1周期測量結束End圖10定時中斷服務子程序周期測量結束的操作(1)保存脈沖時間(2)保存脈沖個數(1)清零脈沖時間(2)清零脈沖個數圖11周期測量結束的操作按照以上流程圖，得到功率、電壓、電流的脈沖周期之后，功率值、電壓值、電流值計算都在大循環程序中運行。6/7五、HLW8012應用展望HLW8012可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，外圍元器件少，SOP8封裝，適合于許多電能測量場合，尤其是體積要求小的產品。插座類如：計量插座、WIFI智能插座、電視腦智能節能插座、電腦智能節能插座等；智能采集器如：智能路燈采集終