最小尺寸的功率计量模块

最小尺寸的功率计量模块

[摘要]

合力为科技推出的电能计量芯片HLW8012，可以监测用电设备及系统的用电信息，包括功率、用电量、电压、电流及功率因素。而基于HLW8012设计的功率监测模块，在目前市场是体积可以做的最小的电能计量模块，最小尺寸可以做到20mm(L)*20mm(W),满足许多不同应用需求的应用场合，如智能插座、智能家电等产品。

[关键词]

功率计量，功率检测，功率计量模块，功率计量芯片，功率计量方案，HLW8012

[正文]

一、功率计量模块原理

功率检测模块是对负载设备的用电情况进行实时的检测，将负载设备的用电数据进行收集，提供给控制终端。使用HLW8012设计的功率检测模块的测量精度<0.3%,可以准确的测量功率、用电量等信息，具有性能稳定、设计简单等特点。

功率检测模块主要包含以下几个系统模块:电源模块，功率采集模块，主控制器模块和系统隔离模块。功率计量模块的功率大约在8mA左右，不仅体积小，功耗也很低。

功率检测模块的原理框图如下:

图1 功能检测模块原理框图

二、功率检计量模块硬件设计

电能检测有两种方法，一是隔离采样，二是非隔离采用。隔离采用是指采用互感器的方法进行采用，前端的电量信号使用电压互感器和电流互感器进行隔离并采样，此方法的缺点是造成模块的体积大且成本高。我们使用第二种方法进行采样。

1、电源模块

由于HLW8012的供电电压是5V，所以需要使用单独的电源供电，可以采用非隔离的AC-DC电源芯片输出5V。

图2 AC-DC 电路原理图

此电路可以提供50mA 以内的电流，具有较宽的电源输入范围，能够保证在AC85V~265V 的交流范围内，实现稳定的电压输出，纹波也很小，在50mV 左右。

2、功率检测模块

HLW8012内置了晶振及参考电源，所以外围采样电路非常精简，外围只需要12个电阻电容器件，即组成了对电量信息的采集电路。电压采样通过电阻分压的方法进行测量，将市电上的电压经5个电阻进行分压，降至100mV 左右进行采样。电流采样部分由0.002欧姆的鏮铜电阻，及R28,C11等滤滤阻容件组成。负载电流从鏮铜电阻流过，使得电流信号转换成电压信号，再通过HLW8012进行采集。图3是功率检测模块的原理图。

图3 功率检测原理图

HLW8012将功率、电压、电流等数据通过CF 、CF1脚以脉冲的方式输出。CF 脚输出的脉冲频率大小即表示有功功率值，CF 输出的脉冲个数表示的是用电量的信息。当SEL 为高电平时，CF1输出的脉冲频率表示电压有效值上，当SEL 为低电平时，CF1输出的是电流有效值。

HLW8012的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，且成比例变化。即:

= ;所以，己知Pref 、fref 和F ，就可以计算出当前负载的功率值。同理，电压及电流也适用于此公式。

3、主控制器模块

由于受到体积及成本控制因系的影响，我们选用STC的15F102单片机作为主控MCU。STC15F102具有体积小，SOP8封装，可靠性高等优点。MCU对HLW8012的输出信号进行采集，将HLW8012的脉冲信号转化为数据信号以及统计负载电器的用电量，通过模拟串口的方式将数据发送出去。

图4MCU外围电路

4、隔离模块

因为是采用的非隔离方法进行采样，所以模块需要对强电进行隔离，这里使用光藕对采样部分进行隔离，并通过光藕将数据传送给控制模块。

图5 光藕电路

四、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，这样才能起到比较好的滤波效果。

2、电压通道电阻分压网络，应呈阶梯式分布，逐渐降压（从输入端强压直至计量芯片的取

样电压），应注意电阻与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走线，减少其它信号对采样信号的干扰。如下图所示，采样电阻信号线I-和N从输入端分两条线布线。

4、采样信号线走线要平行且靠近，尽量缩短他们的走线，这样可以减小外界对计量芯片的干扰。

5、芯片的地线要让它能够快速的回到电源输入端压敏电阻的地上，这样可以减小地线上对计量芯片的干扰。

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。

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。

6、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。