电能计量方案在智能插座产品上的应用之“我见”

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1、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

2、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2从图中可以看出，采样电路使用了两个互感器进行采样，T1是电流互感器，T2是电压互感器,输出信号采用电阻分压的方法。先

3、来讲讲非隔离采样方式的电路,看电源是如何处理的。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

4、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

5、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

6、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10CF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0-3000WCF的输出频率是在0-1kHzCF1的输出频率是在0-2KHzCF的脉冲

7、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:功率电压电流CF输出频率电流输出频率电压输出频率3600W220V16.36A870Hz2260Hz673Hz1000W220V4.55A242Hz628Hz673Hz8W220V36mA1.9Hz5Hz673Hz2W220V91mA0.48Hz1.25Hz673Hz0.8W220V3.6mA0.19Hz--（2-3Hz噪声）673Hz0.5W220V2.2mA0.12Hz--（2-3Hz噪声）6

8、73Hz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