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基于電能計(jì)量芯片HLW8012最小尺寸的功率計(jì)量模塊
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發(fā)布時(shí)間：2014-12-23 00:00
合力為科技推出的電能計(jì)量芯片HLW8012，可以監(jiān)測用電設(shè)備及系統(tǒng)的用電信息，包括功率、用電量、電壓、電流及功率因素。而基于HLW8012設(shè)計(jì)的功率監(jiān)測模塊，在目前市場是體積可以做的最小的電能計(jì)量模塊，最小尺寸可以做到20mm(L)*20mm(W),滿足許多不同應(yīng)用需求的應(yīng)用場合，如智能插座、智能家電等產(chǎn)品?！ ∫?、功率計(jì)量模塊原理 功率檢測模塊是對負(fù)載設(shè)備的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，將負(fù)載設(shè)備的
合力為科技推出的電能計(jì)量芯片HLW8012，可以監(jiān)測用電設(shè)備及系統(tǒng)的用電信息，包括功率、用電量、電壓、電流及功率因素。而基于HLW8012設(shè)計(jì)的功率監(jiān)測模塊，在目前市場是體積可以做的最小的電能計(jì)量模塊，最小尺寸可以做到20mm(L)*20mm(W),滿足許多不同應(yīng)用需求的應(yīng)用場合，如智能插座、智能家電等產(chǎn)品。
一、功率計(jì)量模塊原理
功率檢測模塊是對負(fù)載設(shè)備的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，將負(fù)載設(shè)備的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，提供給控制終端。使用HLW8012設(shè)計(jì)的功率檢測模塊的測量精度<0.3%,可以準(zhǔn)確的測量功率、用電量等信息，具有性能穩(wěn)定、設(shè)計(jì)簡單等特點(diǎn)。
功率檢測模塊主要包含以下幾個(gè)系統(tǒng)模塊:電源模塊，功率采集模塊，主控制器模塊和系統(tǒng)隔離模塊。功率計(jì)量模塊的功率大約在8mA左右，不僅體積小，功耗也很低。
功率檢測模塊的原理框圖如下:
圖1 功能檢測模塊原理框圖
二、功率檢計(jì)量模塊硬件設(shè)計(jì)
電能檢測有兩種方法，一是隔離采樣，二是非隔離采用。隔離采用是指采用互感器的方法進(jìn)行采用，前端的電量信號使用電壓互感器和電流互感器進(jìn)行隔離并采樣，此方法的缺點(diǎn)是造成模塊的體積大且成本高。我們使用第二種方法進(jìn)行采樣。
1、電源模塊
由于HLW8012的供電電壓是5V，所以需要使用單獨(dú)的電源供電，可以采用非隔離的AC-DC電源芯片輸出5V。
圖2 AC-DC電路原理圖
此電路可以提供50mA以內(nèi)的電流，具有較寬的電源輸入范圍，能夠保證在AC85V~265V的交流范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，紋波也很小，在50mV左右。
2、功率檢測模塊
HLW8012內(nèi)置了晶振及參考電源，所以外圍采樣電路非常精簡，外圍只需要12個(gè)電阻電容器件，即組成了對電量信息的采集電路。電壓采樣通過電阻分壓的方法進(jìn)行測量，將市電上的電壓經(jīng)5個(gè)電阻進(jìn)行分壓，降至100mV左右進(jìn)行采樣。電流采樣部分由0.002歐姆的鏮銅電阻，及R28,C11等濾濾阻容件組成。負(fù)載電流從鏮銅電阻流過，使得電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過HLW8012進(jìn)行采集。圖3是功率檢測模塊的原理圖。
圖3 功率檢測原理圖
HLW8012將功率、電壓、電流等數(shù)據(jù)通過CF、CF1腳以脈沖的方式輸出。CF腳輸出的脈沖頻率大小即表示有功功率值，CF輸出的脈沖個(gè)數(shù)表示的是用電量的信息。當(dāng)SEL為高電平時(shí)，CF1輸出的脈沖頻率表示電壓有效值上，當(dāng)SEL為低電平時(shí)，CF1輸出的是電流有效值。
HLW8012的CF腳輸出的脈沖頻率的周期表示功率值P，功率越大，CF腳輸出的脈沖頻率越大，且成比例變化。即:Pref / Fref=P / F;所以，己知Pref、Fref和F，就可以計(jì)算出當(dāng)前負(fù)載的功率值。同理，電壓及電流也適用于此公式。
3、主控制器模塊
由于受到體積及成本控制因系的影響，我們選用STC的15F102單片機(jī)作為主控MCU。STC15F102具有體積小，SOP8封裝，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。MCU對HLW8012的輸出信號進(jìn)行采集，將HLW8012的脈沖信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號以及統(tǒng)計(jì)負(fù)載電器的用電量，通過模擬串口的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
圖4 MCU外圍電路
4、隔離模塊
因?yàn)槭遣捎玫姆歉綦x方法進(jìn)行采樣，所以模塊需要對強(qiáng)電進(jìn)行隔離，這里使用光藕對采樣部分進(jìn)行隔離，并通過光藕將數(shù)據(jù)傳送給控制模塊。
圖5 光藕電路
四、PCB layout注意事項(xiàng)
1、芯片電源引腳處的去耦電容盡量靠近芯片的引腳，這樣才能起到比較好的濾波效果。
2、電壓通道電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)呈階梯式分布，逐漸降壓(從輸入端強(qiáng)壓直至計(jì)量芯片的取樣電壓)，應(yīng)注意電阻與電阻之間的爬電距離。
3、電流采樣電阻的地線應(yīng)和其它地線分開走線，減少其它信號對采樣信號的干擾。
4、采樣信號線走線要平行且靠近，盡量縮短他們的走線，這樣可以減小外界對計(jì)量芯片的干擾。
5、芯片的地線要讓它能夠快速的回到電源輸入端壓敏電阻的地上，這樣可以減小地線上對計(jì)量芯片的干擾。
6、電源走線不要走成環(huán)形，環(huán)形的電源走線容易受外界的電磁場干擾。
7、電壓取樣連接線要和錳銅取樣連接線分隔一定距離，以免相互干擾。
8、所有引線不宜太長，尤其是PCB裝配固定后，所有引線不能直接接觸計(jì)量芯片及其它外圍電路。確實(shí)無法避免時(shí)，所有導(dǎo)線應(yīng)分組加黃蠟套管，提高絕緣度。
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