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计量芯片HLW8112典型应用设计
合力为小默 | 2019-07-17 16:36:40    阅读:227   发布文章

计量芯片HLW8112典型应用设计

1   芯片介绍1.1 芯片描述

HLW8112是一款高精度的电能计量IC,它采用CMOS制造工艺,主要用于单相应用。它能够测量线电压和电流,并能计算有功功率,视在功率和功率因素。

该器件内部集成了三个∑-Δ型ADC和一个高精度的电能计量内核。第二路通道可同时测量零线电流,支持窃电检测和漏电检测。各输入通道都支持灵活的PGA设置,因此HLW8112适合与不同类型的传感器使用,如电流互感器(CT)和低阻值分流器。

HLW8112可以通过多种通讯接口访问片内寄存器,包括SPI和UART。

HLW8112包含两个可配置的脉冲输出引脚,可以通过INT1和INT2引脚获取过流、过压、过零和漏电检测等功能。

HLW8112电能计量IC采用3.3V或5.0V电源供电,内置振荡器,采用16脚SSOP封装。

1.2  特性描述

ü  免校准功能

ü  宽工作电压,支持3.3V和5.0V电源供电

ü  测量有功功率、视在功率、电压和电流有效值

ü  在5000:1的动态范围内,有功电能的测量误差<0.1%

ü  在3000:1的动态范围内,有功功率的测量误差<0.1%

ü  在1000:1的动态范围内,有效电压的测量误差<0.1%

ü  在1000:1的动态范围内,有效电流的测量误差<0.1%

ü  提供有功功率过载信号指示

ü  提供电压信号的过零检测、过压指示和欠压指示

ü  提供电流信号的过零检测,过流指示

ü  UART/SPI通讯方式

ü  SSOP16封装

1.3  应用领域


 

ü  智能家电设备 

ü  漏电检测设备

ü  计量电表     

ü  计量插座

ü  WIFI插座

ü  充电桩

ü  PDU设备

ü  LED照明

ü  交通路灯


1.4  芯片管脚

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HLW8112典型应用设计02-01.png

HLW8112典型应用设计02-02.png

                                               

2   硬件设计2.1  原理图设计

HLW8112在HLW8110单通道基础上增加一路电流检测通道用于检测设备漏电状况。下图是HLW8112的应用电路,A通道用于检测负载设备的功率、电压、电流和用电量,通过UART或SPI接口传输数据至MCU,通过INT1引脚对过载和过压等异常状态进行指示。B通道通过电流互感器对负载设备进行漏电检测,当负载设备发生漏电时,会及时判断出危险状态,通过INT2快速切断设备电源。

HLW8112典型应用设计02.png


   

2.2  电流采样电阻的选型

HLW8112典型应用设计03.png


说明:Imax表示最大测量电流,以上假定最大测量电流是30A,Imax = 30A

电压采样电阻

从图中可以看出电压信号通过5个0805封装的200K阻值的贴片电阻和1个1K的分压电阻串联后输入到HLW8110的VP引脚,以220V交流电压为例,

输入信号有效电压值是:220V*(1K/(5*200K + 1K))= 219.8mV

建议一般使用时电压通道的PGA设置为1.

电流系数和电压系数的计算方法

2.3  电流系数K1的计算

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2.4  电压系数K2的计算

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2.5  漏电检测通道的电阻参数选型

HLW8112电流通道B还可以作为比较器的信号输入,当输入信号的峰峰值超过内部比较器设定的阈值125mV,比较器就会输出高电平,比较器输出的信号可通过INT1/INT2 以中断方式输出。

当B通道用作漏电检测通道使用时,需关闭B通道的电流检测开关,使能比较器功能。

HLW8112典型应用设计06.png


当输入B通道的电压信号大于250mV(正负125mV峰峰值)时,HLW8112会产生一个中断信号,用于漏电提醒功能,反应时间约在30ms左右。

芯片内部两个比较器分别检测正半波与负半波,比较器的比较电压VIH-VIL=250mV,漏电计算公式如下:

HLW8112典型应用设计07.png


N表示线圈的砸数比,I表示设置的漏电电流,那么理论计算值如下:

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3   数据计算3.1  电流计算(以A通道为例)

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    说明:X表示A通道或B通道;

    K1:电流系数;

RmsIA:通道A的电流有效值,寄存器地址是:0x24H;

    RmsIAC:通道A的有效值转换系数,寄存器地址是:0x70H;

    如果计算出来的电流有效值 = 5.001,表示有效电流5.001A;  

3.2  电压计算

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K2:电压系数;

RmsU:电压通道的电压有效值,寄存器地址是:0x26H;

    RmsUC:电压通道有效值转换系数,寄存器地址是:0x72H;

如果计算出来的电流有效值 = 22088.9,表示有效电压220.889V;

3.3  有功功率计算(以A通道为例)

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K1:电流系数,K2:电压系数;

PowerPA:通道A有功功率有效值,寄存器地址是:0x2CH;

    PowerPAC: 通道A有功功率转换系数,寄存器地址是:0x73H;

如果计算出来的有功功率 = 100.9,表示有效电压100.9W;

3.4  电能计算 (以A通道为例)

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K1:电流系数,K2:电压系数;

EnergyPA:通道A有功电能有效值,寄存器地址是:0x28H;

    EnergyPAC: 通道A有功电能转换系数,寄存器地址是:0x76H;

    HFconst:脉冲频率寄存器,寄存器地址是:0x02H;

如果计算出来的电能 = 2.9,表示电能 = 2.9度;

3.5  线性频率计算

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Ufreq:电压频率(L线),寄存器地址是:0x23H;

如果计算出来的频率 = 49.99,表示线性频率 = 49.99HZ;

3.6  相角计算

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Angle:电流与电压之间的相角寄存器值,寄存器地址是:0x22H;

当线性频率50HZ时,采用公式1计算相角;当线性频率是60HZ时,采用公式2计算相角。

如果计算出来相角数据 = 25.12,表示相角 = 25.12度。

 

4   UART通讯方式4.1  UART 通讯方式

    HLW8110采用UART通讯方式,工作在从模式,半双工,固定波特率为9600bps,符合标准的UART协议。

    Uart口设置:9600bps,1位Start位,8位数据位,1位even偶校验位,1位stop位。

4.2  字节格式

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4.3  通讯指令

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4.4  指令说明读指令

读取02寄存器地址的数据:

1、发送数据:A5 02;

2、返回数据:10 00 48;

说明:

1、10 00 表示02地址的寄存器数据:0x1000;

2、48表示 A5 02 10 00 的CHECKSUM数据;

3、CHECKSUM计算:CHECKSUM = ~(A5+02 + 10 + 00),取低8位数据。

写指令

向02寄存器地址写入0x12和0x34数据:

发送数据:A5 82 12 34 92。

说明:

1、92表示 A5 82 12 34的CHECKSUM数据;

2、CHECKSUM计算:CHECKSUM = ~(A5+82 + 12 + 34),取低8位数据。

5   SPI通讯方式5.1  SPI通讯

当HLW8112的SPIEN引脚接高电平时,HLW8112为SPI通讯方式。

SPI是四线制:SCSN、SDI、SDO和SCLK,包括一个读寄存器RDATA和一个写寄存器WDATA。所用数据传输错作均与SLCK同步,HLW8112在上升沿将数据从SDO引脚输出,在下降沿从SDI引脚读取数据。在SCSN为低期间,能够对寄存器进行连续读写操作。在SPI操作期间如果当两个SCLK上升沿超过9.15ms时复位SPI模块。

 

5.2  SPI时序 5.2.1  SPI读指令

主机在SCSN 有效后,先通过SPI 写入命令字节,HLW8112收到读命令后,在SCLK 的上升沿将数据按位从SDO 引脚输出。注意:

1、以字节为单位传输,高比特在前,低比特在后;

2、多字节寄存器,先输出高字节内容,再传输低字节内容;

3、主机在SCLK 上升沿写命令字节,从机在SCLK 上升沿将数据从SDO 输出;

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5.2.2  SPI写指令

主机在SCSN有效后,先通过SPI写入命令字节,再写入数据字节。注意:

1,以字节为单位传输,高比特在前,低比特在后;

2,多字节寄存器,先传输高字节内容,再传输低字节内容;

3,主机在SCLK上升沿写数据,从机在SCLK下降沿读取数据;

4,数据字节之间的时间t1要大于等于半个SCLK周期;

5,最后一个字节的LSB传送完毕,SCSN由低变高结束数据传输。SCLK下降沿和SCSN上升沿之间的时间t2要大于等于半个SCLK周期。

注意:有写保护功能的寄存器在写操作之间要先写入写使能命令。

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5.3  指令说明读指令

读取02寄存器地址的数据:

1、发送数据:02;

2、返回数据:10 00;

说明:

10 00 表示02地址的寄存器数据:0x1000;

写指令

向02寄存器地址写入0x12和0x34数据:

发送数据:82 12 34;

12 34 表示写入02地址的寄存器的数据

 

6   数据误差6.1  电流采样使用1mR采样电阻

下表是使用HLW8112的实际测量数据,采用1mR的采样电阻,最小测量电流在4-6mA左右。

HLW8112典型应用设计19.png


6.2  电流采样使用5A/2.5mA,2000:1的互感器的采样数据

下表是使用HLW8112的实际测量数据,采用5A/2.5mA互感器作为电流采样,最小测量电流在1-3mA左右。

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廖工  2019-11-07 17:02:56 

资料很详细,已下载

张工001  2019-09-19 11:50:27 

非常不错的资料,期待再次分享

袁浅  2019-07-31 17:44:23 

资料蛮实用的,学习一下

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