基于电能计量芯片HLW8012的应用研究

[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应用设计。

[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。

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。

二、HLW8012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（即从电网直接采样信号，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：

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50mA，根据产品需求可以增加元器件提高驱动能力。

图2  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3  阻容降压电源

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，外围电路简单，主要包括电流、电压的采样。电流信号是通过锰铜电阻（R29）对负载电流进行采样，电压信号是通过电阻网络（R21, R22, R23, R24, R26）分压采样，电路设计如下：

图4  电能计量电路

电压通道采样得到的电压信号不能超过495mV，电流通道采样得到的电压信号不能超过30.9mV。一般情况，电压通道采样电阻网络可以如上图比值即可。

电流通道的锰铜电阻需根据不同最大电流值选择不同阻值，建议表如下：（电流采样电阻额定功率建议>=2W）

注意锰铜电阻的接法：一端与GND连接，另一端与负载连接。

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

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。

图5  MCU与HLW8012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：

（2）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，再连接光耦输出或输入。MCU的接口资源与直接情况下的一致。

HLW8012与光耦连接的电路如下图。

图6  MCU通过光耦与HLW8012连接

4、HLW8012部分PCB Layout注意事项

（1）芯片电源引脚处的去耦电容尽量靠近芯片的引脚。

（2）电压通道电阻分压网络，应呈阶梯式分布，逐渐降压，从输入端高压直至计量芯片的取样电压，注意电阻之间的爬电距离。

（3）电流采样电阻的地线应和其它地线分开布线，以最短路径走线到主板参考地线输入端（如零线），减少其它信号对采样信号的干扰。

（4）采样信号线走线要平行且靠近，尽量缩短布线，减小外界对采样信号的干扰。

（5）芯片的地线要能够快速回到电源输入端压敏电阻的地上，减小地线对计量芯片的干扰。

（6）电源走线不要走成环形，环形的电源走线容易受外界的电磁场干扰。

（7）电压取样连接线要和锰铜取样连接线分隔一定距离，以免相互干扰。

（8）所有引线不宜太长，尤其是PCB装配固定后，所有引线不能直接接触计量芯片及其它外围电路。确实无法避免时，所有导线应分组加黄蜡套管，提高绝缘度。

三、HLW8012软件设计

HLW8012的脉冲输出图如下：

图7  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%。

3、流程图

主要阐述测量HLW8012输出脉冲周期的流程图。脉冲周期的测量主要是计时、计数，运行于中断服务子程序中。以下是外部中断、定时器中断服务子程序：

         以上是中断服务子程序中运行的内容，多脉冲测量的周期计算、功率值、电压值、电流值等都在大循环程序中运行。

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。

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