如何解决WIFI计量插座的校表难题

   随着物联网产品品类的丰富，早期的WI-FI插座逐步升级成带计量功能的WI-FI计量插座，因为元器件误差和生产工艺的影响，带计量功能的插座需要进行校正，才能提高测量精度，涉及到强电的测量，在生产上面会带来了一些新的麻烦，所以就在应用上的经验，给大家分享下我们的校正（校表）方法，希望给大家带来启发。

校表的目的

    WIFI计量插座的校表目的是要解决产品的精度问题，WIFI计量插座在生产完成后，如果不进行校正（校表），精度一般在5%至10%以内，所以厂家在生产完成成品后，会进行最后一个环节的工序，对产品进行校正，校正完成后，可以将产品的精度提高至1%以内（视校正使用设备的精度决定）。

计量芯片为什么需要校正

   目前市面上所有的计量芯片在用于电表产品时，都需要通过专用的校表台对成品进行校准，目的通过校正方式消除系统误差，如下图,计量电路中的采样电阻、电压分压电阻和芯片内部参考电压等都会引起系统误差。

图 1 引起系统误差的几个参数

通过更具体的案例，可以进一步了解校正的真实原因，下图是一款常于用于WI-FI计量插座的计量芯片HLW8012。

图 2 电能计量芯片

    HLW8012是一款带脉冲输出的计量芯片，从上图可以看出，输入负载的信号通过V1P、V1N和V2P给到芯片进行测量，然后通过CF和CF１输出，且是以脉冲的方式输出。

下图是根据HLW8012手册内的理论计算公式进行的推导过程。从理论公式可以看出，输入功率P（电压或电流）和输出频率Fcf是成线性关系的，P = K1*Fcf。

图 3        HLW8012理论计算公式

所以，我们知道HLW8012的输入信号的大小(功率、电压和电流)和输出频率是成线性关系的，它们的关系如下图所示，同理，电压和电流也有下图的斜率比例关系。

图 4 输入负载大小和输出频率的关系曲线

在未校正前（黑色曲线），输入和输出的关系如曲线1,因为y = k₁x ，以上图为例，

k1 = 380/50  =  7.6;

但实际上，这个K1（7.6）值会随着电路参数值的变化而发生改变，，影响线性关系的参数有：电流采样电阻、电压分压电阻、芯片内置晶振偏差和内置参考电压Vref的偏差，如下图：

                                                          图 5 影响斜率的各个参数图

随着以上几个参数的变化，线性曲线的斜率也是会一起发生变化的。

其实我们并不知道50HZ对应的实际功率是多少W,图上的380W的值，是我们假定的一个默认功率值，从而计算出的的斜率（K1 = 7.6），这个值是有一定误差的，而真正的斜率曲线则是红色这条曲线。

图 6 校正负载曲线

那么我们如何找到红色曲线的斜率值呢？

我们通常需要通过校正的方式来获取这条曲线，如图6，通过对系统给定己知100W的标准负载，然后实际测量出100W负载对应的输出频率12.5HZ,就可以计算出真实的斜率是K2 = 100/12.5 = 8;

那么经过这种校正方法，我们就可以把系统的误差修正到1%以内（视校正负载的精度决定）。

如果不校正，误差会有多少？

    以图6为例，我们可以计算出误差值，

[(400 - 380)/400] *100% = (20/400)*100% = 5%。

我们可以看到，如果不校正，系统的误差就会有5%，这个误差还是比较大的。

目前常用的校正方案

    根据校正对象不同，我们把校正分为三种类型的校正：

1、 成品整机校正；

2、 半成品PCBA校正(应包含完整计量电路)；

3、 二合一模块（WIFI＋计量）校正。

整机校正

    整机校正是指待整个产品制作完成后，在包装之前，对整机进行校正，校正完成后，再做成品功能检测，最后包装入库。

    如图7所示，是采用专用的交流电子负载做为校准负载，，这种电子交流负载的精度高（一般精度在1%以内），校表后可以达到非常理想的效果，整机校正成功后，线性度在1%以内。

图 7        整机校表示意图一

图8采用交流稳压源和电阻负载（或灯泡）用于校正，因为电阻负载发热会导致阻值发生变化，影响到功率变化，所以图2方法校正的精度会比图1低一些，一般在2%-3%左右。

图7和图8的校正方法其实是没有区别的，区别在于选择的标准负载不同，图7选择的是专用的交流电子负载，此类电子负载成本相对较高，但负载的精度比较高。而图8选用的是低成本的方案，负载的精度没有专用负载高，灯泡和电阻时常会受到发热的影响，使得负载功率发生变化，校正达到的效果相对差些，一般在2%-3%左右。

图 8        整机校表示意图二

         半成品PCBA校正

           半成品PCBA校正是指在PCBA的功能检测过程中，把校正的过程放在半成品PCBA检测一起，这样做的好处是可以在产品装上模具之前将一部分不良品剔除出来。校正示意图如图9和图10。

图 9        PCBA校正示意图一

图9采用的是成本较高的交流电子负载进行校准，图10是采用低成本的校正方案，也是采用交流稳压电源替和电阻负载替代高精度的交流负载，采用图10方案，校正可以达到2%-3%的左右的效果。

图 10      PCBA校正示意图二

在半成品PCBA校准时，需要制作测试工装与其配合，此时通过探针将电子负载的与PCBA的测试点连接在一起，因为探针与PCBA的焊盘测试点是通过压力接触的，所以此时测量的负载最好不要太大，建议不超过500W。

二合一模块（WIFI＋计量）校正

         下图是WIFI+计量的二合一模块，从下图可以看出，二合一模块正面是计量部分，二合一模块的背面是WIFI模块，整个WIFI模块是贴合在板子的背面，只留于天线部分外露，这样做是为了不阻挡天线的信号，使得WIFI模块可以更好的进行通讯。

图 11 WIFI计量二合一模块

         WIFI+计量的二合一模块其实是将WIFI模块和计量模块进行叠加在一起， 下图是二合一模块的校正示意图，校正方法和半成品PCBA类似，只是校正的对象是整机和半成品PCBA改为二合一模块，进行校正前，需要制作好测试工装。

图 12 二合一模块校正示意图一

同样，将校正负载源换成交流电子负载时，可以提高产品校正后的精度，如下图所示:

图 13二合一模块校正示意图二

WIFI+计量的二合一模块的体积非常小，在多个不同模具产品当中，可以使用同一套WIFI模块和计量模块，特别适合于产品类别比较多的客户使用。同时可以将复杂的校正工序进行模块化、标准化。

校正方案优劣势对比

    下表是对三种校正方式的对比：

建议的校表方法

    我们可以根据产品研发和量产的不同阶段采用不同的校正方法，比如在刚开始进入计量插座的研发时，可以采用整机校正方法，因为整机校正比较简单，不用专门制作测试工装就可以进行校正，在后期如果需要进行大面积量产时，则可以改用半成品PCBA校正或二合一模块进行校正。

    成品校正的缺点在于如果计量功能有问题，在产品检测前期则不能及时把不良品剔除，而半成品PCBA的校正则可以很好的解决这个问题。但是如果我们的生产制造过程中的的不良率很底，则可以使用成品校正方法。但是现在很多客户都是方案设计公司，生产制造一般都有用外包的形式，在对ODM或OEM厂商不是非常了解的情况下建议使用半成品PCBA校正或WIFI+计量二合一模块的校正。

    WIFI+计量二合一模块的校正方法则适用于大多数模组厂、ODM和OEM厂商，因为需要面对许多不同类型的客户，而大多客户的产品诉求不同，从而导致需要使用不同的方案满足不同客户的需求，这样就会致针对不同客户的产品需要制定不同的工装，但如果将WIFI模块和计量制作成二合一模块，则可以同时满足大多客户的需求，且可以用一种测试工装就可以满足所有客户的产品。

    总之，我们需要根据自身需求和实际情况出发，在不同的研发阶段和生产阶段采用合适的校正方法进行校正。

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