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电量计量芯片hlw8110的前端电路设计与误差分析校正

IT圈 admin 103浏览 0评论

2024年8月15日发(作者:本心菱)

电量计量芯片

HLW8110

的前端电路

设计与误差分析校正

*

龙顺宇

,

许禄枝

,

邝国旺

,

徐元哲

,

吴路光

()

海南热带海洋学院

海洋信息工程学院

,

三亚

572022

摘要

:

本文为

HLW

通过软硬件设计实现了一款电能计量单元

在隔离

8110

芯片构造了隔离

/

非隔离式采样前端电路

,

式电参采样法下分析了互感器的非线性度

变比及后级电路对计量精度的影响

;

在非隔离式电参采样法下分析了锰铜

康铜及贴片合金电阻材料的特性

,

对比了两种采样法下的特征及指标

,

明确了计量误差的主要来源

在单片机编程阶段

进行了误差计算并制定了校表流程

,

选择性地对

HLW

通道相位

电流增益

有功增益

有功补偿

有效值

8110

电表常数

补偿

数据自校验等参数和寄存器进行校正配置

,

校正后的有功功率计量精度可达

0.

满足常规嵌入型电能计量

5s

,

应用

关键词

:

HLW

电能参数计量

;

交流互感器

;

非线性误差分析

;

误差校正

8110

;

中图分类号

:

TP31

文献标识码

:

A

FrontCircuitDesinandErrorAnalsisofHLW8110

gy

,

formeronmeasurementaccuracreanalzedundertheisolated

p

racteristicsofmananesecoer

y

a

ypg

m

gpp

,

luenceofnonlinearitvariableratioand

p

ost-staecircuitoftrans-

pggyg

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Abstract

Inthis

p

aeranisolationnon-isolationsamlinfront-endcircuitisconstructedforHLW8110chiandanenereterin-

ppgpgy

m

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(,,)

ColleeofOceanorahicInformationEnineerinHainanTroicalOceanUniversitSana572022

,

China

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S

yg

G

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,

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p

atchalloesistancematerialsareanalzedunderthenon-isolated

p

racteristicsand

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r

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p

ibration

p

p

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,

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ofHLW8110metersuchasconstantchannelhasecurrentainactive

g

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pg

mentsofconventionalembeddedenereasurementalications.

gy

m

pp

:

HLW

;;;

Keords

8110

;

measurementofelectricenerarametersACtransformernonlinearerroranalsiserrorcorrection

gy

e

y

y

w

电能既是一种常见的能源

,

又是一种特殊的商品

,

[

1-2

]

/

度和

A

但测量的精度一

D

转换性能提出了很高的要求

,

3-4

]

基于这些实际问题

,

,

算法设计较为复杂

[

专用的电

能计量芯片应运而生

,

该类芯片内部一般具备模拟信号增

/

P

高性能

A

数字滤波器

比较器

GA

单元

D

单元

信接口和高性能处理核心

,

通过发挥片内资源的相关功能

5-6

]

再辅助以成熟的算法

[

就能对交流有功

/

无功

/

视在功

电能的精确计量直接关系到用户的利益

,

同时也关系到电

力行业的智能化程度和相关计量标准

常见于数字电表或其他嵌入型计量模块

,

传统的电能参数

采集多使用交流互感器作为采样前端

,

然后通过微控制器

/

A

搭配上

D

转换单元实现对互感器输出信号的采集

,

相关算法实现电参量计算

,

这种方法对微控制器的运算速

;

项目编号

:

*

基金项目

:

2017

年度海南省重点研发项目

(

ZDYF2017014

)

电能计量单元

功率因数

瞬时电参及有效值等参数进行精确测量

,

量后的结果会通过相关接口进行输出

,

再由用户单片机接

7-8

]

此类芯片的外围电路虽然简

收结果作进一步的处理

[

项目编号

:

2018

年海南热带海洋学院校级青年专项基金项目

(

)。

RHDQN201825

,

但是在采样方式和

P

CB

设计时仍有很多注意事项

,

果在应用场景下选错了采样前端和器件材料就会增大计

9-10

]

量误差

,

从而降低设备指标

[

4 2

Microcontrollers&EmbeddedSstems

2020

年第

3

y

www

.

mesnet

.

com

.

cn

1

搭建

HLW8110

芯片硬件测量电路

市面上的电能计量专用芯片种类较多

,

经过前期方案

对比

,

本文选择了较有代表性的

HLW

该芯片

8110

芯片

,

由深圳市合力为科技有限公司采用

CMOS

工艺生产和制

,

是一款高精度单相交流电能计量

I

芯片能够测量交

C

,

流电压和电流

,

并能计算有功功率

视在功率

功率因素和

/

有效值等参数

该芯片内部集成了两个

∑Δ

AD

11-12

]

输入通道支持灵

元和一个高精度的电能计量内核

[

输入信号大小

,

因为

HLW8110

的差分模拟输入通道所支

持的最大电压为

8

若用户实际选择的交流互感器

00mV

,

输出电压过小

,

还需要启用芯片内部的

PGA

单元对输入

信号进行程控放大

1.2

非隔离式采样前端电路构造与分析

非隔离式采样一般使用小阻值采样电阻和分压电路

直接构成采样前端

,

该方式会导致计量模块上带有强电

,

存在安全风险

,

但是电路构成较为简单且成本低廉

,

在实

际场景中也广泛应用

电压采样常用分压电路

,

分压电阻

可采用

0

但电流通道采样电阻必

805

封装常规贴片电阻

,

须讲究材质

,

不同材质的电阻会直接影响采样精度

,

常见

的材料有锰铜

康铜

水泥和贴片合金

水泥电阻功率虽

,

但误差和热稳定性较差

,

所以本文着重对另外三种材

质电阻做了参数比较

,

比较结果如表

1

所列

电阻材质

贴片合金

康铜电阻

锰铜电阻

制造精度

功率

/

W

2~3

1~5

1~5

温度特性

一般

较好

最好

活的

P

可以与不同的采样前端电路进行匹配

(

GA

设置

,

该芯片支持

3.

电流互感器和低阻值分流器

)

3~5.0V

直流电源供电

,

内置

3.579MHz

振荡器和

1.25V

片内电

压基准源

,

可以通过

UART

接口与用户单片机进行数据

通信

50

有功电能的测量误差优

00

:

1

的动态范围内

,

0.1%

在实际运用

HLW8110

时需要明确采样电路的

接入形式

,

因市电属于强电

,

欲对其进行测量必须要进行

衰减和保护

,

根据采样电路和采样器件的不同可分为隔离

式采样及非隔离式采样

,

两种方式各有特点

,

开发人员可

13

]

按照实际需求进行选择

[

1

锰铜

康铜和贴片合金采样电阻参数比较表

散热特性

一般

较好

最好

1.1

隔离式采样前端电路构造与分析

隔离式采样一般使用交流互感器构造前端电路

,

用于

隔离高压侧信号以保护后级电路及芯片

以家庭电能计

量应用为例

,

常规电器的额定电压在

2

额定电

20V

左右

,

参考比对数据

,

不同材质的采样电阻常对应不同应

,

例如

:

一般电表常采用三线锰铜电阻

,

智能插座上常用

康铜或贴片合金电阻

,

对精度和体积要求较高的产品常用

贴片合金电阻

本文将贴片合金电阻用于电流采集

,

将常

规电阻用于分压电路

,

搭建的非隔离式电能计量电路连接

如图

2

所示

假定家庭用电总负载电流为

50A

流一般在

5

所以本文选择

D0A

以内

,

LCT10CL

电流互

感器和

ZMPT107

电压互感器就能满足实际要求

以隔

离方式构造的电能计量电路连接如图

1

所示

HLW8110

电流通道的

PAG

参数保

持默认值

1

则采样输出信号应控制

6

,

5

这样一来就不会超出输

0mV

,

入通道的最大电压且留有余量

根据

欧姆定律可以简单计算得到采样电阻

的阻值应该在

1mΩ

左右

,

因此图

2

R1

采样电阻是一颗阻值为

1mΩ

功率为

3W

精度为

1%

的贴片合金电

R2

R3

C1

C2

共同构成了电流

1

隔离式电能计量电路原理图

采样通道的无源

RC

滤波电路

回路中

,

R1

为互感器输出取样电阻

,

R2

R3

C1

C2

分析电路可知

,

串联在用电

T1

互感器采样负载电流

,

在电压通道的设计上主要采用串

/

同构成了无源

R

以滤除信号杂波

,

减少

AC

滤波电路

,

D

转换时的数据抖动

T

通过

R2

互感器采样负载电压

,

4

R10

C3

为无源

RC

滤波电路

采样前端电路搭建完毕之后

,

还需要考虑每个通道的

限流后并联在用电器两端

,

R5

为互感器输出取样电阻

,

联分压电路

,

通过

R4

R9

进行串联

,

再从

R

然后连接至

8

R9

之间引出抽头获得分压

,

HLW8110

芯片

VP

引脚

,

R9C3

构成无源

RC

滤波电路

若设定输入电压为

2

则分压电路应将

200mV

,

20V

输入电

压衰减

1000

倍左右

为了保证电路的可靠及分压电阻的

稳定

,

本文采用

6

个贴片电阻进行串联

,

R4

R8

取值为

此时

V200kΩ

,

R9

取值为

1kΩ

,

P

引脚的输入电压应为

:

敬请登录网站在线投稿

()

g

2020

年第

3

4 3

合理选型

,

但隔离式电参量采样法

隔离了强电

,

在一定程度上提升了

电气安全性

2.2

非隔离式采样参数测试

基于非隔离式采样模块利用

采样电阻作为电流采样器件

,

利用

分压电路作为电压采样方法

,

实测

整体测量精度优于

30A

量程内

,

的数据如表

3

所列

,

50mA~

2

非隔离式电能计量电路原理图

U

VP

=

R20

9

×

2

(

2198V

)

0.

R

4

+

R

5

+

R

6

+

R

7

+

R

8

+

R

9

电参量采样方法的精度和线性度提升了一些

,

但是受采样

电阻性能的影响较大

,

整个电路板都带有强电

,

必须考量

PCB

设计问题和共地问题

通过参数实测

,

使用

HLW8110

芯片构成的电能计量

非隔离式

0.5%

分析实测数据

,

2

实物参数测试与误差来源分析

数测量仪对隔离式采样与非隔离式采样模块进行了参数

测试

,

通过对数据的比较

,

分析了误差的来源

搭建实物模块后使用杭州远方

PF5000

型智能电参

2.3

误差来源分析

2.1

隔离式采样参数测试

基于隔离式采样模块利用交流互感器作为电流

/

电压

采样器件

,

实测的数据如表

2

所列

,

50mA~30A

量程

系统主要的误差来源有

5

,

即采样方式

采样器件精度

采样电路稳定性

供电方式及电源品质

非隔

PCB

设计

离式采样一般比隔离式采样方式精度好一些

,

隔离式采样

的互感器精度和线性度一般

,

非隔离式的采样电阻易受温

度影响

电路中使用到的器件都

存在一定的误差

,

所以在实际场

误差

2.3000

功率

/

W

电压

0.01%

0.00%

0.03%

0.05%

0.45%

0.31%

0.05%

电流

1.00%

0.00%

0.00%

0.00%

0.01%

0.15%

0.13%

0.13%

0.13%

0.12%

0.13%

0.25%

0.53%

功率

4.07%

0.27%

0.40%

0.16%

0.29%

0.34%

0.23%

0.14%

0.52%

0.45%

0.24%

0.46%

0.52%

,

整体测量精度优于

0.6%

设定值

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

电压

/

V

0.0100

0.0500

0.1000

0.5000

1.0000

2.0000

4.0000

电流

/

A

2.2100

功率

/

W

2

隔离式采样参数

测量值

电压

/

V

电流

/

A

景中需要灵活选择采样方式及器

件种类

,

以隔离方式中的电流互

感器采样误差为例

,

K

n

为电流

互感器额定电流比

,

I

1

为实际一

次电流

,

I

2

为在测量条件下的二

次电流

,

则互感器输出信号的误

ε

i

可描述为

:

ε

i

=

(

KI

n2

-

I

1

)

00

×

1

I

1

11.0000

110.3000

220.9600

440.0000

880.0000

22.0100

220.03

220.00

220.07

220.11

221.00

219.30

219.26

0.0101

0.0500

0.1000

0.5000

1.0010

2.0030

4.0050

10.8700

110.1200

220.3000

441.5200

882.0200

22.1000

6.00001320.0000219.80

10.00002200.0000220.09

15.00003300.0000219.58

20.00004400.0000220.58

30.00006600.0000219.10

8.00001726.0000219.80

5.99201318.12000.09%

10.01202190.20000.04%

14.98003292.00000.26%

20.05004379.40000.26%

29.84006565.12000.41%

7.99001735.80000.09%

除了器件的误差之外还要考

虑电路组成

,

从本质上讲

,

计量芯

/

片的采样前端是一个

AD

转换

,

若采样电路设计存在缺陷

,

分析实测数据

,

隔离采样的过程中会有一定的信号衰

,

相比于非隔离采样法的精度和线性度会稍微低一些

,

互感器的参数对精度影响较大

,

特别需要注意交流互感器

的变比

线性范围

线性度和精度等级等指标项

,

互感器的

放置也需要占用较多的

P

实际制造时需要进行

CB

体积

,

入较大抖动或干扰就会直接增加量化误差

PCB

的设

计上也要考虑地线的走线和差分信号线

,

一般将采样电阻

的地

计量芯片及计量芯片外围电路的地

5V

电源地通过

星型线的方式汇集在一起进行共地

,

对于差分走线一定要

]

14

严格按照平行等长的设计原则获得更好的电气特性

[

4 4

Microcontrollers&EmbeddedSstems

2020

年第

3

y

www

.

mesnet

.

com

.

cn

3

非隔离式采样参数

设定参数

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

电压

/

V

0.0100

0.0500

0.1000

0.5000

1.0000

2.0000

4.0000

电流

/

A

2.2100

功率

/

W

220.03

220.00

220.07

220.11

220.98

219.30

219.26

电压

/

V

测量参数

0.0101

0.0500

0.1000

0.5000

1.0000

2.0020

4.0050

电流

/

A

2.3200

功率

/

W

电压

0.014%

0.00%

0.03%

0.05%

0.43%

0.31%

0.13%

误差

(

绝对值

)

电流

1.00%

0.00%

0.00%

0.00%

0.00%

0.10%

0.12%

0.06%

0.03%

0.00%

0.02%

0.01%

0.01%

功率

4.98%

0.09%

0.18%

0.19%

0.44%

0.28%

0.24%

0.11%

0.28%

0.01%

0.21%

0.24%

0.37%

HFConst

=

23.2

×

10

×

11

11.0000

110.3000

220.9600

440.0000

880.0000

22.0100

10.9900

110.0900

219.9800

441.2300

882.1500

22.0500

计算结果需要转换为十六进

)

制数值

(

然后用单片机将

7848

H

,

数据写入

HFConst

寄存器完成

电表常数的校准

写入数据的流

程如图

4

所示

在实际系统中

,

单片机选用

V

n

×

V

i

=

EC

×

U

n

×

I

b

())

307927848

D

=

(

H

6.00001320.0000219.84

10.00002200.0000220.05

15.00003300.0000219.58

20.00004400.0000220.43

30.00006600.0000219.20

8.00001726.0000219.80

5.99601318.50000.07%

10.00002200.28000.02%

14.99703293.07000.26%

20.00304389.34000.19%

29.99606575.80000.36%

7.99701730.80000.09%

通过单

STC8A8K64S4A12

型号

,

片机串口

1

HLW8110

芯片进

行通信

,

KeilC51

工程中编写

3

参数校正及软件设计

HLW8110

芯片在制造实物之后还可以通过图

3

,

示流程实现软件

校表

即使用单片机或者其他微控制器

通过

UART

接口向

HLW8110

芯片内部的校表寄存器写

入数据

,

经过校准后的有功功率计量精度可达

0.5s

_

a

),_

v

该函数唯一的形式参数

HFconstlueHFconstalue

即为上式计算得到的结果

(

HFConst

)

校准的函数为

_

H

(

HLW811X

_

AdustFconstu16

j

了驱动代码

,

其中实现电表常数

)

4

电表常数

(

校准流程

HFConst

3 HLW8110

芯片校表流程

)

校准

HLW8110

芯片可支持电表常数

(

HFConst

//

AB

通道的相位校准

B

通道的电流增益校准

AB

通道

//

的有功增益校准

AB

通道的有功

Offset

校准

AB

通道

的有效值

O

视在功率的增益校准和

Offset

校准

ffset

准以及校表数据自动校验

以参数设置中的电表常数

大小

,

V

即引

u

表示额定电压输入时电压通道的电压

(

脚上电压乘以

PGA

放大倍数

1

2

4

8

16

)

V

i

表示额

15

]

):

可以通过以下关系进行计算

[

Const

如下

:

配置流程遵循图

4

所示步骤即可

,

该函数的具体实现

_

H

(_

v

){

voidHLW811X

_

AdustFconstu16HFconstalue

j

));

SCON

_

ADD

,

2

((

SYSCON=

(

u16

)

HLW811X

_

Rrivced

_

DAT

_

FormatSY-

_[])(());//

取高位

Datatable0=

(

u80x0A|SYSCON>>8

_[])(();

Datatable1=

(

u80x04|SYSCON&0x00FF

)

_

CMD

(_

W

;

HLW811X

_

SecialHLW8110ritEN

)

p

//

读当前系统控制寄存器

()

校准为例

,

在校准前需要计算实际通道的电流

HFConst

//

设置电压通道

P

电流通道

PGA=1

;

GA=16

//

发送写使能命令

定电流输入时电流通道的电压

U

n

表示额定输入电压

I

b

表示额定输入电流

则电表常数

(

EC

表示脉冲常数

,

HF-

V

u

×

V

i

EC

×

U

n

×

I

b

/

U

n

等于

220V

I0A

,

EC

1200imkWh

p

b

等于

1

HFConst

=

23.2

×

10

×

11

;

ADD

)

(,

HLW811X

_

Send

_

CMD

_

FormatData

_

table2

,

SYSCON

_

_

CMD

(_

W

;

HLW811X

_

SecialHLW8110ritOFF

)

p

//

写入系统控制改寄存器

//

关闭写使能

_[])((_);//

取高位

Datatable0=

(

u80x78|HFconstvalue>>8

_[])((_

v

);

Datatable1=

(

u80x48|HFconstalue&0x00FF

)

_

CMD

(_

W

;

HLW811X

_

SecialHLW8110ritEN

)

p

的样表

,

A

通道电流使用

1mΩ

的铝合金贴片电阻

,

A

P

电压采样使用电阻分压输入

,

GA

增益为

16

,

B

P

VGA

增益为

1

,

V.219V

,

u

输入电压为

0

i

就等

//

HFConst

的校准值

0x7848

//

发送写使能命令

10×0.001×16

0.16V

将以上数据代入上式之后

)

可以计算电表常数

(

:

HFConst

;

ADD

)

(,_

HLW811X

_

Send

_

CMD

_

FormatData

_

table2

,

HFConst

_

CMD

(_

W

);

HLW811X

_

SecialHLW8110ritOFF

p

//

校准数据写入

HFconst

寄存器

61

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()

g

2020

年第

3

4 5

架下设计了一款基于恩智浦

KL36

和中移物联网

M5310

先简要

A

通信模组的监测终端

在具体介绍终端设计前

,

介绍了监测系统的架构

,

然后详细介绍了终端的软硬件设

,

最后实现了完整的终端样机和测试环境

,

基于金葫芦

通信可靠性进

CSClient

PC

客户端对终端的完备性

行有效的测试验证

参考文献

8

监测终端实现样机

本文基于

N

在金葫芦

IBIoT

通信技术

,

oTGEC

[]

刘辉

,

]

杨奕

.

1NBIoT

技术与物联网产品的应用特性

[

J.

[]

王宜怀

,

张建

,

刘辉

.

窄带物联网

N2BIoT

应用开发共性技

():

片机与嵌入式系统应用

,

2018

,

1821114.

[

北京

:

电子工业出版社

,

M

]

.2019.

[]

sKL36Sub

[]

中移物联网有限公司

.4M5310A

产品手册

,

2018.

,

Sheet2014.

Familata

y

D

[]

广州市龙戈电子有限公司

.5PH

温度变送器使用说明

[]

广州市龙戈电子有限公司

.

浑浊度传感器套件模块使用说明

6

,

2018.

,

2017.

,

刘辉

(

讲师

)

主要研究方向为嵌入式系统

物联网

9 PC

测试界面显示

()

责任编辑

:

薛士然

收稿日期

:

2019-10-17

/

关闭写使能

45

/

}

通过实物搭建和参数测试

,

本文分析了隔离采样与非

]():

研究

[

设备管理与维修

,

J.2.

[]

侯兴哲

,

刘型志

,

郑可

,

.

泛在电力物联网环境下新一代智

5

]():

能电能表技术展望

[

电测与仪表

,

J.2019714.

[]

董宁

.

]:

提高电能计量装置的准确性

[

科技风

,

6J.2019

(

19

)

193194.

[]

黎志豪

.

]

电能计量误差产生的原因及改进措施

[

集成电路

7J.

隔离采样方式下

HLW8110

核心电能计量模块的误差来

,

从测试数据上观察到了电压

/

电流误差分布和变化规

)

以电表常数

(

为例

,

讨论了校正计算过程与

HFConst

单片机程序配置流程

,

最终实现了参数校正

,

使得有功功

两种采样方式各有特点

,

HLW8110

芯片的相关功能

,

作的实物模块满足常规嵌入型电能计量需求

,

可以将其应

用于智能电表

充电桩

智能插座

电量管理等场景

参考文献

[]

宋双霜

,

]

管可

.

提高电能计量准确性的方法研究

[

现代营

1J.

():

应用

,

2019

,

3668283.

[]

刘影

,

袁瑞铭

,

丁恒春

.

电力计量互感器自动测试误差系统研

8

率计量精度可达

0.5s

通过软硬件设计验证了

]():

[

自动化与仪器仪表

,

J.201958083.

[]

耿煜博

.

]

电能计量装置误差原因及控制

[

科技风

,

9J.2019

():

14202.

[]

林祥勋

.

浅析电能计量装置运行误差分析及状态评价方法

10

[]():

技术与市场

,

J.2019

,

265171.

[]

林景超

.

]

电力计量误差产生原因分析及改进措施研究

[

11J.

():

建材与装饰

,

2.

[]

合力为科技

.

_

H

_

H

_

C

,

12DSLW8110LW8112N

_

Rev1.122019.

[]

合力为科技

.

,

计量芯片

H13LW8110

典型应用设计

Rev132019.

[]

合力为科技

.

免校准应用的系数计算方法

R14ev20

,

2019.

[]

张瑾

.

]

电能计量在生活中的重要性研究

[

电子元器件与信

2J.

():

:

经营版

,

20191066.

[]

杜鸿程

.

]

电动汽车交流充电桩测得值的不确定度评定

[

3J.

():

息技术

,

2019

,

3599102.

[]

合力为科技

.

功率计量芯片

L15AYOUT

指南

,

2019.

,

龙顺宇

(

实验师

)

主要研究方向为嵌入式应用

单片机智能

物联网

技术应用

()

责任编辑

:

薛士然

收稿日期

:

2019-10-09

[]

唐念坡

.40.2S

级电流互感器替换

0.5

级电流互感器可行性

():

量与测试技术

,

2019

,

467115116.

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()

g

2020

年第

3

6 1

2024年8月15日发(作者:本心菱)

电量计量芯片

HLW8110

的前端电路

设计与误差分析校正

*

龙顺宇

,

许禄枝

,

邝国旺

,

徐元哲

,

吴路光

()

海南热带海洋学院

海洋信息工程学院

,

三亚

572022

摘要

:

本文为

HLW

通过软硬件设计实现了一款电能计量单元

在隔离

8110

芯片构造了隔离

/

非隔离式采样前端电路

,

式电参采样法下分析了互感器的非线性度

变比及后级电路对计量精度的影响

;

在非隔离式电参采样法下分析了锰铜

康铜及贴片合金电阻材料的特性

,

对比了两种采样法下的特征及指标

,

明确了计量误差的主要来源

在单片机编程阶段

进行了误差计算并制定了校表流程

,

选择性地对

HLW

通道相位

电流增益

有功增益

有功补偿

有效值

8110

电表常数

补偿

数据自校验等参数和寄存器进行校正配置

,

校正后的有功功率计量精度可达

0.

满足常规嵌入型电能计量

5s

,

应用

关键词

:

HLW

电能参数计量

;

交流互感器

;

非线性误差分析

;

误差校正

8110

;

中图分类号

:

TP31

文献标识码

:

A

FrontCircuitDesinandErrorAnalsisofHLW8110

gy

,

formeronmeasurementaccuracreanalzedundertheisolated

p

racteristicsofmananesecoer

y

a

ypg

m

gpp

,

luenceofnonlinearitvariableratioand

p

ost-staecircuitoftrans-

pggyg

:,/,

Abstract

Inthis

p

aeranisolationnon-isolationsamlinfront-endcircuitisconstructedforHLW8110chiandanenereterin-

ppgpgy

m

g

u

(,,)

ColleeofOceanorahicInformationEnineerinHainanTroicalOceanUniversitSana572022

,

China

ggpggpyy

,,,,

LonhunuXuLuzhiKuanuowanXuYuanzheWuLuuan

g

S

yg

G

ggg

,

indexesofthetwosamlineeerrorcalculation

pg

m

p

coerand

p

atchalloesistancematerialsareanalzedunderthenon-isolated

p

racteristicsand

ppy

r

ypg

m

iscarriedoutinthe

p

ibration

p

p

arametersandreisters

gg

s

ggp

c

ppg

,

ibratedactive

p

owermeasurementaccuracanreach0.5slevelthatmeetsthereuire-

y

c

gy

c

q

,,,,,,,

ofHLW8110metersuchasconstantchannelhasecurrentainactive

g

ainactiveoffseteffectivevalueoffsetdataself-calibrationare

pg

mentsofconventionalembeddedenereasurementalications.

gy

m

pp

:

HLW

;;;

Keords

8110

;

measurementofelectricenerarametersACtransformernonlinearerroranalsiserrorcorrection

gy

e

y

y

w

电能既是一种常见的能源

,

又是一种特殊的商品

,

[

1-2

]

/

度和

A

但测量的精度一

D

转换性能提出了很高的要求

,

3-4

]

基于这些实际问题

,

,

算法设计较为复杂

[

专用的电

能计量芯片应运而生

,

该类芯片内部一般具备模拟信号增

/

P

高性能

A

数字滤波器

比较器

GA

单元

D

单元

信接口和高性能处理核心

,

通过发挥片内资源的相关功能

5-6

]

再辅助以成熟的算法

[

就能对交流有功

/

无功

/

视在功

电能的精确计量直接关系到用户的利益

,

同时也关系到电

力行业的智能化程度和相关计量标准

常见于数字电表或其他嵌入型计量模块

,

传统的电能参数

采集多使用交流互感器作为采样前端

,

然后通过微控制器

/

A

搭配上

D

转换单元实现对互感器输出信号的采集

,

相关算法实现电参量计算

,

这种方法对微控制器的运算速

;

项目编号

:

*

基金项目

:

2017

年度海南省重点研发项目

(

ZDYF2017014

)

电能计量单元

功率因数

瞬时电参及有效值等参数进行精确测量

,

量后的结果会通过相关接口进行输出

,

再由用户单片机接

7-8

]

此类芯片的外围电路虽然简

收结果作进一步的处理

[

项目编号

:

2018

年海南热带海洋学院校级青年专项基金项目

(

)。

RHDQN201825

,

但是在采样方式和

P

CB

设计时仍有很多注意事项

,

果在应用场景下选错了采样前端和器件材料就会增大计

9-10

]

量误差

,

从而降低设备指标

[

4 2

Microcontrollers&EmbeddedSstems

2020

年第

3

y

www

.

mesnet

.

com

.

cn

1

搭建

HLW8110

芯片硬件测量电路

市面上的电能计量专用芯片种类较多

,

经过前期方案

对比

,

本文选择了较有代表性的

HLW

该芯片

8110

芯片

,

由深圳市合力为科技有限公司采用

CMOS

工艺生产和制

,

是一款高精度单相交流电能计量

I

芯片能够测量交

C

,

流电压和电流

,

并能计算有功功率

视在功率

功率因素和

/

有效值等参数

该芯片内部集成了两个

∑Δ

AD

11-12

]

输入通道支持灵

元和一个高精度的电能计量内核

[

输入信号大小

,

因为

HLW8110

的差分模拟输入通道所支

持的最大电压为

8

若用户实际选择的交流互感器

00mV

,

输出电压过小

,

还需要启用芯片内部的

PGA

单元对输入

信号进行程控放大

1.2

非隔离式采样前端电路构造与分析

非隔离式采样一般使用小阻值采样电阻和分压电路

直接构成采样前端

,

该方式会导致计量模块上带有强电

,

存在安全风险

,

但是电路构成较为简单且成本低廉

,

在实

际场景中也广泛应用

电压采样常用分压电路

,

分压电阻

可采用

0

但电流通道采样电阻必

805

封装常规贴片电阻

,

须讲究材质

,

不同材质的电阻会直接影响采样精度

,

常见

的材料有锰铜

康铜

水泥和贴片合金

水泥电阻功率虽

,

但误差和热稳定性较差

,

所以本文着重对另外三种材

质电阻做了参数比较

,

比较结果如表

1

所列

电阻材质

贴片合金

康铜电阻

锰铜电阻

制造精度

功率

/

W

2~3

1~5

1~5

温度特性

一般

较好

最好

活的

P

可以与不同的采样前端电路进行匹配

(

GA

设置

,

该芯片支持

3.

电流互感器和低阻值分流器

)

3~5.0V

直流电源供电

,

内置

3.579MHz

振荡器和

1.25V

片内电

压基准源

,

可以通过

UART

接口与用户单片机进行数据

通信

50

有功电能的测量误差优

00

:

1

的动态范围内

,

0.1%

在实际运用

HLW8110

时需要明确采样电路的

接入形式

,

因市电属于强电

,

欲对其进行测量必须要进行

衰减和保护

,

根据采样电路和采样器件的不同可分为隔离

式采样及非隔离式采样

,

两种方式各有特点

,

开发人员可

13

]

按照实际需求进行选择

[

1

锰铜

康铜和贴片合金采样电阻参数比较表

散热特性

一般

较好

最好

1.1

隔离式采样前端电路构造与分析

隔离式采样一般使用交流互感器构造前端电路

,

用于

隔离高压侧信号以保护后级电路及芯片

以家庭电能计

量应用为例

,

常规电器的额定电压在

2

额定电

20V

左右

,

参考比对数据

,

不同材质的采样电阻常对应不同应

,

例如

:

一般电表常采用三线锰铜电阻

,

智能插座上常用

康铜或贴片合金电阻

,

对精度和体积要求较高的产品常用

贴片合金电阻

本文将贴片合金电阻用于电流采集

,

将常

规电阻用于分压电路

,

搭建的非隔离式电能计量电路连接

如图

2

所示

假定家庭用电总负载电流为

50A

流一般在

5

所以本文选择

D0A

以内

,

LCT10CL

电流互

感器和

ZMPT107

电压互感器就能满足实际要求

以隔

离方式构造的电能计量电路连接如图

1

所示

HLW8110

电流通道的

PAG

参数保

持默认值

1

则采样输出信号应控制

6

,

5

这样一来就不会超出输

0mV

,

入通道的最大电压且留有余量

根据

欧姆定律可以简单计算得到采样电阻

的阻值应该在

1mΩ

左右

,

因此图

2

R1

采样电阻是一颗阻值为

1mΩ

功率为

3W

精度为

1%

的贴片合金电

R2

R3

C1

C2

共同构成了电流

1

隔离式电能计量电路原理图

采样通道的无源

RC

滤波电路

回路中

,

R1

为互感器输出取样电阻

,

R2

R3

C1

C2

分析电路可知

,

串联在用电

T1

互感器采样负载电流

,

在电压通道的设计上主要采用串

/

同构成了无源

R

以滤除信号杂波

,

减少

AC

滤波电路

,

D

转换时的数据抖动

T

通过

R2

互感器采样负载电压

,

4

R10

C3

为无源

RC

滤波电路

采样前端电路搭建完毕之后

,

还需要考虑每个通道的

限流后并联在用电器两端

,

R5

为互感器输出取样电阻

,

联分压电路

,

通过

R4

R9

进行串联

,

再从

R

然后连接至

8

R9

之间引出抽头获得分压

,

HLW8110

芯片

VP

引脚

,

R9C3

构成无源

RC

滤波电路

若设定输入电压为

2

则分压电路应将

200mV

,

20V

输入电

压衰减

1000

倍左右

为了保证电路的可靠及分压电阻的

稳定

,

本文采用

6

个贴片电阻进行串联

,

R4

R8

取值为

此时

V200kΩ

,

R9

取值为

1kΩ

,

P

引脚的输入电压应为

:

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()

g

2020

年第

3

4 3

合理选型

,

但隔离式电参量采样法

隔离了强电

,

在一定程度上提升了

电气安全性

2.2

非隔离式采样参数测试

基于非隔离式采样模块利用

采样电阻作为电流采样器件

,

利用

分压电路作为电压采样方法

,

实测

整体测量精度优于

30A

量程内

,

的数据如表

3

所列

,

50mA~

2

非隔离式电能计量电路原理图

U

VP

=

R20

9

×

2

(

2198V

)

0.

R

4

+

R

5

+

R

6

+

R

7

+

R

8

+

R

9

电参量采样方法的精度和线性度提升了一些

,

但是受采样

电阻性能的影响较大

,

整个电路板都带有强电

,

必须考量

PCB

设计问题和共地问题

通过参数实测

,

使用

HLW8110

芯片构成的电能计量

非隔离式

0.5%

分析实测数据

,

2

实物参数测试与误差来源分析

数测量仪对隔离式采样与非隔离式采样模块进行了参数

测试

,

通过对数据的比较

,

分析了误差的来源

搭建实物模块后使用杭州远方

PF5000

型智能电参

2.3

误差来源分析

2.1

隔离式采样参数测试

基于隔离式采样模块利用交流互感器作为电流

/

电压

采样器件

,

实测的数据如表

2

所列

,

50mA~30A

量程

系统主要的误差来源有

5

,

即采样方式

采样器件精度

采样电路稳定性

供电方式及电源品质

非隔

PCB

设计

离式采样一般比隔离式采样方式精度好一些

,

隔离式采样

的互感器精度和线性度一般

,

非隔离式的采样电阻易受温

度影响

电路中使用到的器件都

存在一定的误差

,

所以在实际场

误差

2.3000

功率

/

W

电压

0.01%

0.00%

0.03%

0.05%

0.45%

0.31%

0.05%

电流

1.00%

0.00%

0.00%

0.00%

0.01%

0.15%

0.13%

0.13%

0.13%

0.12%

0.13%

0.25%

0.53%

功率

4.07%

0.27%

0.40%

0.16%

0.29%

0.34%

0.23%

0.14%

0.52%

0.45%

0.24%

0.46%

0.52%

,

整体测量精度优于

0.6%

设定值

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

电压

/

V

0.0100

0.0500

0.1000

0.5000

1.0000

2.0000

4.0000

电流

/

A

2.2100

功率

/

W

2

隔离式采样参数

测量值

电压

/

V

电流

/

A

景中需要灵活选择采样方式及器

件种类

,

以隔离方式中的电流互

感器采样误差为例

,

K

n

为电流

互感器额定电流比

,

I

1

为实际一

次电流

,

I

2

为在测量条件下的二

次电流

,

则互感器输出信号的误

ε

i

可描述为

:

ε

i

=

(

KI

n2

-

I

1

)

00

×

1

I

1

11.0000

110.3000

220.9600

440.0000

880.0000

22.0100

220.03

220.00

220.07

220.11

221.00

219.30

219.26

0.0101

0.0500

0.1000

0.5000

1.0010

2.0030

4.0050

10.8700

110.1200

220.3000

441.5200

882.0200

22.1000

6.00001320.0000219.80

10.00002200.0000220.09

15.00003300.0000219.58

20.00004400.0000220.58

30.00006600.0000219.10

8.00001726.0000219.80

5.99201318.12000.09%

10.01202190.20000.04%

14.98003292.00000.26%

20.05004379.40000.26%

29.84006565.12000.41%

7.99001735.80000.09%

除了器件的误差之外还要考

虑电路组成

,

从本质上讲

,

计量芯

/

片的采样前端是一个

AD

转换

,

若采样电路设计存在缺陷

,

分析实测数据

,

隔离采样的过程中会有一定的信号衰

,

相比于非隔离采样法的精度和线性度会稍微低一些

,

互感器的参数对精度影响较大

,

特别需要注意交流互感器

的变比

线性范围

线性度和精度等级等指标项

,

互感器的

放置也需要占用较多的

P

实际制造时需要进行

CB

体积

,

入较大抖动或干扰就会直接增加量化误差

PCB

的设

计上也要考虑地线的走线和差分信号线

,

一般将采样电阻

的地

计量芯片及计量芯片外围电路的地

5V

电源地通过

星型线的方式汇集在一起进行共地

,

对于差分走线一定要

]

14

严格按照平行等长的设计原则获得更好的电气特性

[

4 4

Microcontrollers&EmbeddedSstems

2020

年第

3

y

www

.

mesnet

.

com

.

cn

3

非隔离式采样参数

设定参数

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

220.00

电压

/

V

0.0100

0.0500

0.1000

0.5000

1.0000

2.0000

4.0000

电流

/

A

2.2100

功率

/

W

220.03

220.00

220.07

220.11

220.98

219.30

219.26

电压

/

V

测量参数

0.0101

0.0500

0.1000

0.5000

1.0000

2.0020

4.0050

电流

/

A

2.3200

功率

/

W

电压

0.014%

0.00%

0.03%

0.05%

0.43%

0.31%

0.13%

误差

(

绝对值

)

电流

1.00%

0.00%

0.00%

0.00%

0.00%

0.10%

0.12%

0.06%

0.03%

0.00%

0.02%

0.01%

0.01%

功率

4.98%

0.09%

0.18%

0.19%

0.44%

0.28%

0.24%

0.11%

0.28%

0.01%

0.21%

0.24%

0.37%

HFConst

=

23.2

×

10

×

11

11.0000

110.3000

220.9600

440.0000

880.0000

22.0100

10.9900

110.0900

219.9800

441.2300

882.1500

22.0500

计算结果需要转换为十六进

)

制数值

(

然后用单片机将

7848

H

,

数据写入

HFConst

寄存器完成

电表常数的校准

写入数据的流

程如图

4

所示

在实际系统中

,

单片机选用

V

n

×

V

i

=

EC

×

U

n

×

I

b

())

307927848

D

=

(

H

6.00001320.0000219.84

10.00002200.0000220.05

15.00003300.0000219.58

20.00004400.0000220.43

30.00006600.0000219.20

8.00001726.0000219.80

5.99601318.50000.07%

10.00002200.28000.02%

14.99703293.07000.26%

20.00304389.34000.19%

29.99606575.80000.36%

7.99701730.80000.09%

通过单

STC8A8K64S4A12

型号

,

片机串口

1

HLW8110

芯片进

行通信

,

KeilC51

工程中编写

3

参数校正及软件设计

HLW8110

芯片在制造实物之后还可以通过图

3

,

示流程实现软件

校表

即使用单片机或者其他微控制器

通过

UART

接口向

HLW8110

芯片内部的校表寄存器写

入数据

,

经过校准后的有功功率计量精度可达

0.5s

_

a

),_

v

该函数唯一的形式参数

HFconstlueHFconstalue

即为上式计算得到的结果

(

HFConst

)

校准的函数为

_

H

(

HLW811X

_

AdustFconstu16

j

了驱动代码

,

其中实现电表常数

)

4

电表常数

(

校准流程

HFConst

3 HLW8110

芯片校表流程

)

校准

HLW8110

芯片可支持电表常数

(

HFConst

//

AB

通道的相位校准

B

通道的电流增益校准

AB

通道

//

的有功增益校准

AB

通道的有功

Offset

校准

AB

通道

的有效值

O

视在功率的增益校准和

Offset

校准

ffset

准以及校表数据自动校验

以参数设置中的电表常数

大小

,

V

即引

u

表示额定电压输入时电压通道的电压

(

脚上电压乘以

PGA

放大倍数

1

2

4

8

16

)

V

i

表示额

15

]

):

可以通过以下关系进行计算

[

Const

如下

:

配置流程遵循图

4

所示步骤即可

,

该函数的具体实现

_

H

(_

v

){

voidHLW811X

_

AdustFconstu16HFconstalue

j

));

SCON

_

ADD

,

2

((

SYSCON=

(

u16

)

HLW811X

_

Rrivced

_

DAT

_

FormatSY-

_[])(());//

取高位

Datatable0=

(

u80x0A|SYSCON>>8

_[])(();

Datatable1=

(

u80x04|SYSCON&0x00FF

)

_

CMD

(_

W

;

HLW811X

_

SecialHLW8110ritEN

)

p

//

读当前系统控制寄存器

()

校准为例

,

在校准前需要计算实际通道的电流

HFConst

//

设置电压通道

P

电流通道

PGA=1

;

GA=16

//

发送写使能命令

定电流输入时电流通道的电压

U

n

表示额定输入电压

I

b

表示额定输入电流

则电表常数

(

EC

表示脉冲常数

,

HF-

V

u

×

V

i

EC

×

U

n

×

I

b

/

U

n

等于

220V

I0A

,

EC

1200imkWh

p

b

等于

1

HFConst

=

23.2

×

10

×

11

;

ADD

)

(,

HLW811X

_

Send

_

CMD

_

FormatData

_

table2

,

SYSCON

_

_

CMD

(_

W

;

HLW811X

_

SecialHLW8110ritOFF

)

p

//

写入系统控制改寄存器

//

关闭写使能

_[])((_);//

取高位

Datatable0=

(

u80x78|HFconstvalue>>8

_[])((_

v

);

Datatable1=

(

u80x48|HFconstalue&0x00FF

)

_

CMD

(_

W

;

HLW811X

_

SecialHLW8110ritEN

)

p

的样表

,

A

通道电流使用

1mΩ

的铝合金贴片电阻

,

A

P

电压采样使用电阻分压输入

,

GA

增益为

16

,

B

P

VGA

增益为

1

,

V.219V

,

u

输入电压为

0

i

就等

//

HFConst

的校准值

0x7848

//

发送写使能命令

10×0.001×16

0.16V

将以上数据代入上式之后

)

可以计算电表常数

(

:

HFConst

;

ADD

)

(,_

HLW811X

_

Send

_

CMD

_

FormatData

_

table2

,

HFConst

_

CMD

(_

W

);

HLW811X

_

SecialHLW8110ritOFF

p

//

校准数据写入

HFconst

寄存器

61

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()

g

2020

年第

3

4 5

架下设计了一款基于恩智浦

KL36

和中移物联网

M5310

先简要

A

通信模组的监测终端

在具体介绍终端设计前

,

介绍了监测系统的架构

,

然后详细介绍了终端的软硬件设

,

最后实现了完整的终端样机和测试环境

,

基于金葫芦

通信可靠性进

CSClient

PC

客户端对终端的完备性

行有效的测试验证

参考文献

8

监测终端实现样机

本文基于

N

在金葫芦

IBIoT

通信技术

,

oTGEC

[]

刘辉

,

]

杨奕

.

1NBIoT

技术与物联网产品的应用特性

[

J.

[]

王宜怀

,

张建

,

刘辉

.

窄带物联网

N2BIoT

应用开发共性技

():

片机与嵌入式系统应用

,

2018

,

1821114.

[

北京

:

电子工业出版社

,

M

]

.2019.

[]

sKL36Sub

[]

中移物联网有限公司

.4M5310A

产品手册

,

2018.

,

Sheet2014.

Familata

y

D

[]

广州市龙戈电子有限公司

.5PH

温度变送器使用说明

[]

广州市龙戈电子有限公司

.

浑浊度传感器套件模块使用说明

6

,

2018.

,

2017.

,

刘辉

(

讲师

)

主要研究方向为嵌入式系统

物联网

9 PC

测试界面显示

()

责任编辑

:

薛士然

收稿日期

:

2019-10-17

/

关闭写使能

45

/

}

通过实物搭建和参数测试

,

本文分析了隔离采样与非

]():

研究

[

设备管理与维修

,

J.2.

[]

侯兴哲

,

刘型志

,

郑可

,

.

泛在电力物联网环境下新一代智

5

]():

能电能表技术展望

[

电测与仪表

,

J.2019714.

[]

董宁

.

]:

提高电能计量装置的准确性

[

科技风

,

6J.2019

(

19

)

193194.

[]

黎志豪

.

]

电能计量误差产生的原因及改进措施

[

集成电路

7J.

隔离采样方式下

HLW8110

核心电能计量模块的误差来

,

从测试数据上观察到了电压

/

电流误差分布和变化规

)

以电表常数

(

为例

,

讨论了校正计算过程与

HFConst

单片机程序配置流程

,

最终实现了参数校正

,

使得有功功

两种采样方式各有特点

,

HLW8110

芯片的相关功能

,

作的实物模块满足常规嵌入型电能计量需求

,

可以将其应

用于智能电表

充电桩

智能插座

电量管理等场景

参考文献

[]

宋双霜

,

]

管可

.

提高电能计量准确性的方法研究

[

现代营

1J.

():

应用

,

2019

,

3668283.

[]

刘影

,

袁瑞铭

,

丁恒春

.

电力计量互感器自动测试误差系统研

8

率计量精度可达

0.5s

通过软硬件设计验证了

]():

[

自动化与仪器仪表

,

J.201958083.

[]

耿煜博

.

]

电能计量装置误差原因及控制

[

科技风

,

9J.2019

():

14202.

[]

林祥勋

.

浅析电能计量装置运行误差分析及状态评价方法

10

[]():

技术与市场

,

J.2019

,

265171.

[]

林景超

.

]

电力计量误差产生原因分析及改进措施研究

[

11J.

():

建材与装饰

,

2.

[]

合力为科技

.

_

H

_

H

_

C

,

12DSLW8110LW8112N

_

Rev1.122019.

[]

合力为科技

.

,

计量芯片

H13LW8110

典型应用设计

Rev132019.

[]

合力为科技

.

免校准应用的系数计算方法

R14ev20

,

2019.

[]

张瑾

.

]

电能计量在生活中的重要性研究

[

电子元器件与信

2J.

():

:

经营版

,

20191066.

[]

杜鸿程

.

]

电动汽车交流充电桩测得值的不确定度评定

[

3J.

():

息技术

,

2019

,

3599102.

[]

合力为科技

.

功率计量芯片

L15AYOUT

指南

,

2019.

,

龙顺宇

(

实验师

)

主要研究方向为嵌入式应用

单片机智能

物联网

技术应用

()

责任编辑

:

薛士然

收稿日期

:

2019-10-09

[]

唐念坡

.40.2S

级电流互感器替换

0.5

级电流互感器可行性

():

量与测试技术

,

2019

,

467115116.

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()

g

2020

年第

3

6 1

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