原创 物联网智能家居行业节能方案分享_电量计量芯片剖析

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物联网系统中为什么要使用电量计量芯片

在物联网系统中，使用电量计量芯片的原因主要可以归结为以下几个方面：

1、精确测量与监控

• 能耗监控：电量计量芯片能够精确测量电压、电流、功率等电气参数，从而实现对能源消耗的实时监控。这对于提高能源使用效率、减少浪费至关重要。
• 数据分析：通过电量计量芯片收集的数据，可以进行深入的能耗分析，帮助用户了解能源使用模式，发现潜在的节能机会。

2、智能控制与管理

• 远程监控：物联网系统中的电量计量芯片可以通过无线通信技术将数据传输到云端或本地服务器，实现远程监控和管理。这为用户提供了极大的便利，无需现场操作即可掌握能源使用情况。
• 自动化控制：基于电量计量芯片的数据，物联网系统可以实现自动化控制，如根据能耗情况自动调整设备的工作状态，以达到节能降耗的目的。

3、促进可持续发展

• 节能减排：通过精确测量和监控能源消耗，电量计量芯片有助于推动节能减排政策的实施，促进可持续发展。
• 环保意识提升：用户在使用物联网系统时，可以直观地看到自己的能耗情况，从而增强节能意识，主动采取措施减少能源消耗。

4、技术进步与创新

• 高精度测量：随着技术的不断进步，电量计量芯片的测量精度不断提高，能够更准确地反映能源使用的真实情况。
• 多功能集成：现代电量计量芯片不仅具备基本的测量功能，还集成了多种辅助功能，如通信接口、数据存储等，为物联网系统的集成和应用提供了更多可能性。

5、广泛应用场景

• 智能家居：在智能家居中，电量计量芯片可以嵌入到各种家电设备中，实现能耗的精确测量和监控，提高家居生活的智能化水平。
• 智能电网：智能电网中的智能电表等设备也使用了电量计量芯片，以实现对电网中能源流动的精确监控和管理。
• 工业自动化：在工业自动化领域，电量计量芯片可以用于监测和控制生产设备的能耗，提高生产效率和能源利用率。
• 智能家居：随着智能家电的发展，计量芯片可以作为最基本的“传感器”之一，集成在各种家电中，实现电能的计量、统计和监测等功能。例如，在智能插座中，计量芯片可以感知家电的真实状态，检测当前电压、电流是否正常，统计耗电量等。
• 电力仪表：计量芯片可以用于制造电力仪表，如电能表、电压表、电流表等，实现对电力消费的计量和监控。
• 能源管理系统：在能源管理系统中，计量芯片可以用于监测和控制能源的消耗，实现能源的优化利用和管理。

综上所述，物联网系统中使用电量计量芯片的原因在于其能够精确测量和监控能源消耗、实现智能控制与管理、促进可持续发展以及满足广泛应用场景的需求。同时，随着技术的不断进步和创新，量计量芯片的性能和功能也将不断提升和完善。

本文会再为大家详解电量计量器件家族中的一员——电量计量芯片。

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计量芯片的定义

计量芯片是测量交流电信号的一类芯片，因最早是使用于电表产品，所以在行业内也俗称电表芯片，它可以统计用电负载的用电量、测量用电负载的功率大小和电流大小，以及市电的电压。市电一般分为单相电和三相电，所以电表芯片有两大类，一类是单相计量芯片，一类是三相计量芯片。

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计量芯片的原理

计量芯片需要对电信号进行测量，需要分别对电压和电流信号进行采样，以HLW8110为例，根据下图，我们对信号采样进行分析。

图1：电阻采样方式设计参考

• 电压信号采样：

L经过5个200K电阻和1K电阻分压后连接到N，1K电阻两端的电压输入至VP PIN，计量芯片通过测量VP的电压，就可以采样到L线的电信号。

• 电流信号采样：

对电流信号的采样是通过对1mR采样电阻两端的电平进行采样，因为 U = I*R，R等于1mR,U可以通过计量芯片进行测量得到，那么也就间接采样到I的信号。

得到电压信号和电流信号后，根据算法，计量芯片HLW8110就可以计算出有效电压、有效电流和有功功率等电能参数。

下图是HLW8110的内部结构框图,从本质上来，计量芯片是属于ADC的一类，只不过我们经常用到的ADC芯片是用来测量直流信号的，而计量芯片是用来测交流信号的。被采样的信号是通过IAP\IAN\VP\GND引脚进入到芯片内部，然后通过PGA（运放）进入到ADC进行采样，而ADC模块的1.25V的VREF是通过供电电源VDD转化而来的，VRFF的参考地是GND。

图2：HLW8110内部框图

因为信号采样电路的电平是N为参考的电平信号，如图1，电压采样信号的电平VP的电平是以N为参考点的电平信号。电流采样的信号电平1mR采样电阻两端的电平是也是以N为参考点的电平信号。

如图2，运放的VREF是以GND为参考点的参考电压，所以送到计量芯片的信号也必须以GND为参考，才能进行有效的测量。

我们都知道，测量必须有一个统一的参考，才可能进行有效的测量，所以在设计电路时，我们需要把N和GND连接起来，形成同一个参考。

我们经常会从安全角度考虑，因为担心强电有危险，在图1的电路上，刻意不将N和GND进行短接，如下图,其实这是一种错误的接法，没有统一的参考点，如何能够进行正确的测量呢。

图3 错误的电路设计图

互感器采样电路

下图是互感器的设计参考，电流和电压的采样信号是通过互感器变比后的信号，然后送到HLW8110进行采样。

图4 互感器采样方式设计参考

那么为什么两份设计参考，图一是N和GND相连，而图四的N和GND不相连?因为互感器的被测信号己经不是L和N了，而是变比之后的信号，我们只要保证变后的信号和GND在同一个参考点就可以。

安全性

1、 外壳绝缘,这是最好的方法，外壳完全绝缘，基本己经保证产品的安全性。

2、 改量以N线做为参考地，在N线不能做为参考地的前得下，再使用L为参考地，因为N对大地的压降是0V,而L对大地的压降是220V。

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计量芯片的主要功能

计量芯片最基础的功能是测量用电量、功率大小、有效电流和有效电压，这是计量芯片最基础的测量功能。还有一些计量芯片除了基础的测量功能外，还可以测量功率因素、市电的线性频率、相角、过零点、视在功率等参数，这类计量芯片的功能比较多。下表是列举了合力为几类计量芯片功能分类。

下表是不同型号的计量芯片的性能和功能差异表

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计量芯片的选型参数

我们可以通过上面的顺序，对产品相关的指标进行分解。

1、刷新速率：是指产品需要的电量参数数据的更新速度;

2、最小测量电流值：产品需要可以测量的最小的电流是多少mA?

3、最小测量功率值：产品需要可以测量的最小的电流是多少W?

4、准确度：产品需要的精度偏差允许范围是多少，比如1%以内，2%以内，或5%以内?

5、电量测量范围：产品可以测量电压范围是，比如90V到265V?

6、是否需要校准？

校准是一个比较复杂的工序，有一些产品因为精度要求不高，比如不需要1%以内的精度，那么可以选用免校准的计量芯片。

7、通讯接口

根据MCU的资源，选用带有UART或SPI接的量芯片。

8、线性频率

如果对市电的线性频率进行测量，可以选用带有线性频率测量功能的计量芯片。

9、功率因素

如果对市电的线性频率进行测量，可以选用带有线性频率测量功能的计量芯片。

根据上面几条，我们大致可以缩小选型范围，找到合适的计量芯片。

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计量芯片的厂商

电量计量芯片厂商主要包括国内外的一些知名公司。

在国内，主要的电量计量芯片厂商有复旦微电子、上海贝岭、珠海炬力、深圳锐能微合力为，艾创微以及钜泉光电等。这些公司在电能计量芯片领域拥有多年的研发经验和市场份额，提供多种型号的电能计量芯片产品，包括单相和三相计量芯片，广泛应用于智能电表等领域。

在国际市场上，主要的电量计量芯片厂商包括ADI、TDK、Atmel、Cirrus Logic等。这些公司同样在电能计量芯片领域拥有较高的技术水平和市场份额，其产品在性能和精度等方面表现优异，广泛应用于全球范围内的电能计量和智能电表领域。

供应商A：芯海科技

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：CSE7759B

对应的产品详情介绍

CSE7759B 为单相多功能计量芯片，其提供高频脉冲 CF 用于电能计量，通过 UART 可以直接读取电

流、电压和功率的相关参数（如：系数、周期）；串口波特率为 4800 bps（±2%），8 位数据，1 位偶校

验，1 停止位。本芯片采用 SOP8 封装。

主要特性功能

• 电量累计误差为±2%。
• 电流有效值、电压有效值、功率误差范围详见 2.3 小节。
• 串口 UART 通讯协议波特率为 4800bps。
• 内置电源监控电路，当电源电压低到 4V 时，芯片进入复位状态。
• 内置 2.43V 的电压参考源。
• 5V 单电源供电，工作电流小于 5mA。
• 主要应用领域：需要测量电压、电流和功率的场合，例如单相多功能电能表、计量插座、数显表
• 等。
• 硬件参考设计

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