1/7 功率计量芯片功率计量芯片 HLW8012 介绍介绍与应用与应用 一、引言一、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、二、 、、HLW8012 介绍介绍 1、、HLW8012 主要特性主要特性 （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 引脚图引脚图 1VDD VIP VIN GND CF CF1 SEL V2P HLW8012 2 3 45 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 有功功率值 电压采样信号 Vmax_rms:±495mV 图 1 芯片引脚图 引脚序号引脚序号 引脚名称引脚名称 输入输入/输出输出 说明说明 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，带下拉 2/7 模拟模拟信号输入信号输入 （1）V1P，V1N 输入电流采样信号：峰峰值 VP-P：±43.75mV，最大有效值：±30.9mV （2）V2P 输入电压采样信号：峰峰值 VP-P：±700mV，最大有效值：±495mV 数数字信号字信号输出输出 （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。
三三、、HLW8012 应用硬件应用硬件设计设计 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分：电源电源、功 率计量电路、MCU 接口 1、、电源电路电源电路 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 序序 项目项目 AC-DC 非隔离电非隔离电源源 阻容降压电阻容降压电源源 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 非隔离非隔离电源电源 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）阻容降压电源电源 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、、功率功率计量电路计量电路 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 与与 HLW8012 的接口的接口 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 与与 HLW8012 直连直连 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 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： 序序 测量参数测量参数 MCU 与与 HLW8012 连接连接 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 通过光耦与通过光耦与 HLW8012 连接连接 图 7 MCU 通过光耦与 HLW8012 连接 若 MCU 工作电源为隔离电源，则与 HLW8012 的连接必须通过光耦隔离，MCU 的接口资源 需要如上表 四四、、HLW8012 脉冲脉冲软件软件测量测量 HLW8012 的脉冲输出图如下： CF、CF1 1 …… T 23N-1N 图 8 HLW8012 脉冲 1、、脉冲测量原理脉冲测量原理 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、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，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、、软件软件流程图流程图 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)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 五五、、HLW8012 应用展望应用展望 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。