1、 1/7 功率计 量芯 片 HLW8012 介绍 与应用 一、引 言 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；SOP8 封装 ， 体 积小， 广 泛应用 于智能 家电 、 节能 插 座， 智 能 路灯、 智能 LED 灯等 应用 场合 。 本 文主要 内 容： 1 、 HLW8012 介绍； 2 、 HLW8012 应用 硬件 电路 ； 3 、 HLW8012 脉冲软件 测量 ；4 、HLW8012 应用 场合 及展 望。 二、 、HLW8012 介绍 1 、HLW8012 主要特性
2、 （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 引脚图 1 VDD VIP VIN GND CF CF1 SEL V2P HLW8012 2 3 4 5 6 7 8 CF 电流采样信号 Vmax_rms:30.9mV 选择CF1输出 电流/电压值 电流/电压值
3、有功功率值 电压采样信号 Vmax_rms:495mV图 1 芯 片引 脚图 引脚序号 引脚名称 输入/ 输出 说明 1 VDD 芯片电 源 芯片电 源 2 ，3 V1P ，V1N 输入 电流差 分信 号输 入端， 最 大差分 输入 信号 为43.75mV 4 V2P 输入 电压信 号正 输入 端。 最大 输入信 号700mV 5 GND 芯片地 芯片地 6 CF 输出 输出有 功高 频脉 冲， 占空 比 50% 7, CF1 输出 SEL=0 ， 输出 电流 有效 值，占 空比 50% ； SEL=1 ， 输出 电压 有效 值，占 空比 50% ； 8 SEL 输入 配置有 效值 输出 引脚
4、 ，带 下拉 2/7 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 。 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
5、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。 3 、芯片内部框图 ADC ADC Active Power I_rms V_rms calculation Voltage to Frequency Converter Sigma_I Sigma_V Reference Voltage 2.43V Internal Clock Power On Reset 1k V1P V1N VDD GND SEL CF1 CF V2P PGA PGA图 2 芯片 内部 框图 HLW8012 内部 带有 2 路 PGA 及 ADC ， 对电
6、 流、 电 压采 样信号 进行 模数 转换 ， 得到数 字 信号 ， 芯片内 部计 算有 功功 率值 、电 流有 效值 、电 压有 效 值， 经 过频 率转 换模 块，HLW8012 将有 功功 率值、 电流 有效 值、 电压 有效值 转换 为方 波脉 冲输 出（占 空 比 1:1）， 各数 值 的大小 与频率 的大 小成正 比， 与周 期的 大小 成反比 。 三、HLW8012 应 用硬件设计 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 。外围硬件主要包 含几部
7、 分：电源电源、 功 率计量 电路 、MCU 接 口。 1 、电源电路 为了配 合电 阻采 样方 式 （ 即从电 网直 接采 样， 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： 3/7 序 项目 AC-DC 非隔离电源 阻容降压电源 1 驱动电流 （5V 时 ） 最 大 可达到 150mA 约 35mA （电 容为 0.68uF 时） 2 体积 小 大 3 成本 高 低 4 可靠性 高 低 5 输入电压 影响 驱动 能力 基本不 影响 电压下 降， 驱动 能力 下降 6 零负载
8、 功耗 基本为 零 与驱动 电流 一致 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 是交流电 压的 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 约在 50mA ，可以 根据 产品 需求 增加 一些元 器以 提 高驱 动能力 。 图3 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 4 阻容 降压 电路 经 安 规电容 C1 降压， 二极 管整流 后， 采 用
9、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 4/7 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 、功率计量电路 HLW8012 集成内置振 荡器、参考电 源，外围电路非常简单， 主要包括电流、电压的采 样。 电流信 号是 通过
10、康铜 电阻 对负载 的工 作电 流进 行采 样，电 压信 号是 通过 电阻 网络分 压采 样。 须注 意康 铜电 阻的 接法 ：一 端与 GND 连接 ，另 一端 再与负 载连 接。 图 5 电能 计量 电路 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 图6 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
11、HLW8012 的接 口直 连。HLW8012 高频 脉冲 引 脚连接 MCU 的外 部中 断，SEL 连接普 通 IO 5/7 口。接口 资源 如下 表： 序 测量参数 MCU 与 HLW8012 连接 1 功率， 电量 1 个 IO 口 （1 个 外部 中断） 2 功率， 电量 + 电流/电压 2 个 IO 口 （2 个 外部 中断） 3 功率， 电量 + 电流 + 电压 3 个 IO 口 （2 个 外部 中断,1 个 GPIO ） （2 ）MCU 通过光耦与 HLW8012 连接 图7 MCU 通 过光 耦与 HLW8012 连接 若 MCU 工作 电源 为隔 离电 源， 则与 HLW
12、8012 的 连接 必须通 过光 耦隔 离，MCU 的接口 资源 需要如 上表 。 四、HLW8012 脉冲 软件测量 HLW8012 的脉 冲输 出图 如下 ： CF、CF1 1 T 2 3 N-1 N图 8 HLW8012 脉冲 1 、脉冲测量原理 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 。 测量 到周 期 之后就 可以 根据 比例 关系 计算功 率值 、电 压值 、电 流值。 2 、脉冲测量方法 为了提 高测 量精 度，CF 、CF1 与 MCU 外部 中断 IO 相连 ，外 部中 断模 式设 置为 下 降 沿触发 中断，
13、使用 MCU 外部 中断来 确定 2 次中 断间隔 ， 使用 MCU 定时 器来 测量 相邻 2 次外 部中 断的 时间间 隔。 6/7 3 、软件流程图 脉冲测 量的程 序主要 是在 中断服 务子 程序 中运 行， 相关流 程图 如下 ： 测量功率？ Y End 周期测量结束 测量电压？ 记录电压脉冲周期 Y N 测量电流？ Y N N 记录功率脉冲周期 电能计数器累加 记录电流脉冲周期 外部中断服务子程序图9 外部 中断 服务 子程序 计时器超时？ N End 周期测量结束 Y 计时器加1 定时中断服务子程序图 10 定时 中 断服 务子 程序 周期测量结束的操作(1)保存脉冲时间(2)
14、保存脉冲个数(1)清零脉冲时间(2)清零脉冲个数图 11 周 期测 量结 束的 操作 按照以上流程图，得 到功 率、电压、电流的脉 冲周 期之后，功率值、电 压值 、电流值计算 都在大 循环 程序 中运 行。 7/7 五、HLW8012 应 用展望 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 。
