电能计量方案在智能插座产品上的应用之“我见”

    智能家居的概念从前年到现在一直很火，无论是电子行业内或行业外，几乎都在趋之若鹜，市面上的智能单品也是层出不穷，有智能手环，智能插座，智能LED灯等。

    我本人毕业后就进入了芯片公司做技术，这家芯片公司也是做电表芯片的，后来转行到电表厂家，一直工作到现在，也算是在电表行业有十多年的工作经验，所以对电量计量方案十分熟悉。智能插座火爆前，也有做几个类似的方案，且有的也在量产。一直想对计量这块写些东西，权当作是总结，也希望对大家有所帮助。

一、硬件部分

    参考设计电路图

        我们在开发的过程中，首先会参考芯片公司给出的参考设计方案，电能计量的采样方式一共就两种，所以一般会给出两个参考图纸供我们参考。一个是非隔离采样电路图纸，另一个是隔离采样电路图纸。

图1是一个完整的计量参考方案原理图，采用非隔离采样方式，从图中可以看出:

1、  电流采样使用的是锰铜电阻；

2、  电压采样使用的是电阻分压的方式，从L线串连4个470K的电阻和一个1K 的电阻进行分压。

3、  电源有非隔离型AC-DC电压和阻容降压两种电源可以选择;

4、  输出信号采用光藕隔离的方式输出;

图1

图2是采用隔离采样方式的电路图

           图3                          图4                 

图3是错误的电路图，表现在电源的接法上，图中的【参考地1】（计量芯片参考地）和【参考地2】（N线） 没有短接，这样会导致采样信号的差分电压的参考零电势和计量芯片的参考零电势不在同一个参考零电势上，会直接导致测量结果不准，因为V1P或V1N对【参考地1】的电平电压是不确定电平，甚至还会烧坏芯片。

说明:参考地2也可以使用L线做为这【参考地2】。图中的L和N需要全部互换。

正确的接法是图4的接法，需要把【参考地1】和【参考地2】短接在一起。将隔离电源的N线和【参考地1】（就是计量芯片参考地）短接。

如果是采用非隔离的AC-DC,参考地的接法详见下图:

图5

电能计量的输入信号采样电路

1、非隔离采样方式的输入采样电路

图6

图6是采用非隔离采样方式的采样信号电路，电压是使用电阻分压的方式进行采样，图中的4个470K电阻和1个1K电阻是分压电阻，将市电220V交电流压降低到117mV左右；图中的R4是电流采样电阻，负责将负载的电流信号转换成差分电压信号，再送入HLW8012的电流信号采样端口。

2、隔离采样方式的输入采样电路

图7

图7是采用电流互感器和电压互感器的进行采样，T1是电流互感器，T2是电流型电压互感器。R2和R7是将采样信号由电流转换成电压，然后送入计量芯片采样端口进行采样。计量芯片电流采样端（V1P-V1N）的输入差分电压允许最大有效值是30.9mV，所以互感器经R2采样电阻后的最大转换电压要小于30.9mV,设计时应考虑预留20%-30%左右的溢值空间。计量芯片电压采样端(V2P-DGND)的输入电压允许的最大有效值是495mV,通常我们会将电流经R7电阻转换后的电压设置在110mV左右。

输出接口电路

1、 非隔离采样方式的输出接口

图8

图中光耦有两个用途:

A、 WIFI模块和蓝牙等无线模块的工作电源是3.3V,光耦的作用是将5V信号转换在3.3V信号;

B、 光耦将强电和弱电进行隔离，起到安全保护的作用。

2、 隔离采样方式的输出接口

A、 CF和CF1采用电阻分压方式将5V转换成3.3V;

B、 SEL 选择端，采用电平转换电路，将3.3V转换成5V.

图9

二、软件部分

大多数电表芯片都是以脉冲输出的方式来输出电量数据，如下图所示：

图10

CF脉冲输出有以下几个特点：

1、 输出波形是方波;

2、 占空比1:1;

3、 根据输入功率大小不同，CF和CF1的输出的频率不同，但它们是成等比变化的;

即比如输入1000W负载，CF输出频率是220Hz,如果改成输入2000W负载，CF的输出频率则是440Hz;

4、 功率范围0-3000W

CF的输出频率是在0-1kHz

CF1的输出频率是在0-2KHz

CF的脉冲周期测量

需要的硬件资源

1、 中断口

2、 1mS定时器

HLW8012输入输出频率对照表

按照HLW8012的参考电路进行设计，CF的输出频率和输入功率大小的关系如下图:

注:1.采样电阻选用2mR;

从上图可以看出，小功率负载的输出频率低，测量时间较长;大功率负载的输出频率高，测量时间较短。为了缩短测量时间和提高测量精度，采用下面的方法进行周期(频率)测量。

以周期为100ms划分条件测量脉冲周期T：

1、 周期 =< 100ms

假设T1、T2、……、Tn，每一个方波周期小于或等于100ms,则采用测量多个周期取平均值的方法进行测量。

  =>   T =t/N;

参数说明:

   :被测信号脉冲周期

   :t时间内出现的脉冲个数,取整数个

   :第一个脉冲到第N个脉冲的时间          

软件算法的引起的误差：

t取大于或等于1S时间，测量N个完整的脉冲周期，则T = t/N;

误差全部来源于t/N的除法误差（除不尽，有余数），可忽略不计。

2、 周期  > 100ms

假设T1的周期大于100ms,则采用单周期测量的方法，缩短测量时间。

T = T1;

软件算法的引起的误差：

T1的误差受定时器time的影响，因为time的时间是1ms，所以最大误差是1ms。误差百分比是(1ms/T1)*100%,最大误差是1%。如果要将最大误差减小，可以提高单周期测量值到200ms(功率值约22W),则最大误差是0.5%;

3、 周期 > 5S

如上表格所示，周期大于5S的功率值为0.8W左右;这时需要对最小测量值和测量时间进行评估，假设0.8W以下不需要测量，可以把大于5S的脉冲周期默认设置成0功率；如果需要测量到0.5W，脉冲周期是8S时间。建议设置成5S。

功率、电压和电流的计算

CF脚输出的脉冲频率的周期表示功率值P，功率越大，CF脚输出的脉冲频率越大，成比例变化。即符合等比公式: ;

参数说明:   :参考负载功率

  :参考负载的脉冲频率

    :负载

    :负载对应CF1脚输出的脉冲频率

同理，电压和和电流的计算也符合等比公式。

功率因素的计算

功率因素等于有功功率值除以有效电压与电流的乘积,即;

参数说明:      :当前负载功率

:当前负载的电压有效值

:当前负载的电流有效值

用电量的计算

HLW8012的CF脚输出的脉冲数表示电量值。以输入1000W额定功率的负载为例，工作1小时消耗1度电，1小时（3600秒）内CF脚输出的脉冲个数的总和则表示1度电，36S内输出的脉冲个数则表示0.01度电。

我们都知道，功率乘于时间等于用电量，即P * T = 用电量;

以1000W为例，1000W的负载，工作1小时消耗1度电;那么，任意负载消耗1度电所花费的时间就是: T = (1000W/P) * 1h;

那么上面的公式可以转换为:

P * [(1000W/P)*1h] = 1度电;

以Pcf表示1个脉冲代表的电量，我们将上面的公式再转换成脉冲个数的表示方式;

Pcf * f *[(1000W/P)*1h] = 1度电;，f表示输出频率;

那么 Pcf = [P/(1000W*3600S*f)] *(1度电) ;

        前面我们讲到，功率和频率是成正比的，所以上式中的P/f的值是不变的，所以每个CF代表的用电量是不变的。

1个脉冲表示的用电量  Pcf = [P/(1000W*3600S*f)] *(1度电);

假设输入1000W，CF的输出频率是220HZ,那么1个脉冲数表示的用电量是：1000/(1000*3600*220)度电;

假设输入500W，CF的输出频率是110HZ,那么1个脉冲数表示的用电量是：500/(1000*3600*110)度电。

        那么，我们以负载1000W去校正插座，那么0.01度表示的脉冲个数N = 220*36S = 7920个;

     我们以负载500W去校正插座，那么0.01度电表示的脉冲个数N = 110*72S = 7920个,也还是7920个脉冲表示1度电;

三、PCB Lyaout

计量芯片属于模数混合类芯片，对采样信号的噪声要求比较高，所以在布线时，一定要优先考虑信号线的走线。

信号线走线TOP层图:

注意事项：

1、 电流信号线走差分线形式，两条线尽量采用平行走线;

2、 电流信号线和电压信号线尽量不要交叉;

3、 差分信号线的GND线做为独立信号线，需要从采样电阻端走线连至HLW8012信号端，不要与其它GND线连接，否则会引入地线的噪声。

信号线走线BOTTOM层图:

注意事项

1、 电流信号的差分信号线虽然有一条差分信号线从电气特性上看是GND线，但是必须要把它当成信号线对待，不然与其它GND线连在一起;

错误的PCB Lyaout方式1

注意事项

1、  如上图所示，电压信号线和电流信号线有交差。因为电流信号最大输入电压是30.9mV，最小识别电压在30nV左右，所以信号比较微弱。若底部走电压信号线，则因为电压是220V的交流，会对电流信号造成很大干扰。

2、  如果没有办法避免，则在220V交流线经电阻分压降成微弱的电平信号，再穿过电流线。

错误的PCB Layout方式2，这也是很多同行第一次做电表计量的案子时，容易忽略的地方

注意事项

1、  信号线起点应当是采样电阻的两端，而不是图示所示位置。

2、  按上图走线，则电流信号采样电阻的阻值不是R,而是变成r1+R+r2,如下图所示。

图中的r1和r2是板材的内阻。

上面走线带来了新的问题:PCB板材的温度特性较差，如果输入电流过大，则PCB板材的温度会上升，这时r1和r2的阻值会发生变化，使得输入HLW8012的信号受到影响，继而影响测量的准确度，一般会带来4%左右的偏差，功率越大，偏差越大。

因为：V = i*(r1+R+r2)，当r1和r2变化时，则会影响线性度。

四、总结

以上是对电表芯片在设计开发过程中的总结，内容中涵盖了原理图的设计，软件开发的一些要点，还有PCB layout时需要留意的一些地方。这些问题有些也是我在以前工作过程中遇到过的，希望能够对刚刚跨入这行的朋友们有所帮助。

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