物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)節(jié)能方案分享_電量計量芯片剖析

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用電量計量芯片

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，使用電量計量芯片的原因主要可以歸結(jié)為以下幾個方面：

1、精確測量與監(jiān)控

能耗監(jiān)控：電量計量芯片能夠精確測量電壓、電流、功率等電氣參數(shù)，從而實現(xiàn)對能源消耗的實時監(jiān)控。這對于提高能源使用效率、減少浪費至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)分析：通過電量計量芯片收集的數(shù)據(jù)，可以進行深入的能耗分析，幫助用戶了解能源使用模式，發(fā)現(xiàn)潛在的節(jié)能機會。

2、智能控制與管理

遠程監(jiān)控：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的電量計量芯片可以通過無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶虮镜胤?wù)器，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。這為用戶提供了極大的便利，無需現(xiàn)場操作即可掌握能源使用情況。

自動化控制：基于電量計量芯片的數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化控制，如根據(jù)能耗情況自動調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)，以達到節(jié)能降耗的目的。

3、促進可持續(xù)發(fā)展

節(jié)能減排：通過精確測量和監(jiān)控能源消耗，電量計量芯片有助于推動節(jié)能減排政策的實施，促進可持續(xù)發(fā)展。

環(huán)保意識提升：用戶在使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時，可以直觀地看到自己的能耗情況，從而增強節(jié)能意識，主動采取措施減少能源消耗。

4、技術(shù)進步與創(chuàng)新

高精度測量：隨著技術(shù)的不斷進步，電量計量芯片的測量精度不斷提高，能夠更準(zhǔn)確地反映能源使用的真實情況。

多功能集成：現(xiàn)代電量計量芯片不僅具備基本的測量功能，還集成了多種輔助功能，如通信接口、數(shù)據(jù)存儲等，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的集成和應(yīng)用提供了更多可能性。

5、廣泛應(yīng)用場景

智能家居：在智能家居中，電量計量芯片可以嵌入到各種家電設(shè)備中，實現(xiàn)能耗的精確測量和監(jiān)控，提高家居生活的智能化水平。

智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)中的智能電表等設(shè)備也使用了電量計量芯片，以實現(xiàn)對電網(wǎng)中能源流動的精確監(jiān)控和管理。

工業(yè)自動化：在工業(yè)自動化領(lǐng)域，電量計量芯片可以用于監(jiān)測和控制生產(chǎn)設(shè)備的能耗，提高生產(chǎn)效率和能源利用率。

智能家居：隨著智能家電的發(fā)展，計量芯片可以作為最基本的“傳感器”之一，集成在各種家電中，實現(xiàn)電能的計量、統(tǒng)計和監(jiān)測等功能。例如，在智能插座中，計量芯片可以感知家電的真實狀態(tài)，檢測當(dāng)前電壓、電流是否正常，統(tǒng)計耗電量等。

電力儀表：計量芯片可以用于制造電力儀表，如電能表、電壓表、電流表等，實現(xiàn)對電力消費的計量和監(jiān)控。

能源管理系統(tǒng)：在能源管理系統(tǒng)中，計量芯片可以用于監(jiān)測和控制能源的消耗，實現(xiàn)能源的優(yōu)化利用和管理。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用電量計量芯片的原因在于其能夠精確測量和監(jiān)控能源消耗、實現(xiàn)智能控制與管理、促進可持續(xù)發(fā)展以及滿足廣泛應(yīng)用場景的需求。同時，隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，量計量芯片的性能和功能也將不斷提升和完善。

本文會再為大家詳解電量計量器件家族中的一員——電量計量芯片。

計量芯片的定義

計量芯片是測量交流電信號的一類芯片，因最早是使用于電表產(chǎn)品，所以在行業(yè)內(nèi)也俗稱電表芯片，它可以統(tǒng)計用電負載的用電量、測量用電負載的功率大小和電流大小，以及市電的電壓。市電一般分為單相電和三相電，所以電表芯片有兩大類，一類是單相計量芯片，一類是三相計量芯片。

計量芯片的原理

計量芯片需要對電信號進行測量，需要分別對電壓和電流信號進行采樣，以HLW8110為例，根據(jù)下圖，我們對信號采樣進行分析。

圖1：電阻采樣方式設(shè)計參考

電壓信號采樣：

L經(jīng)過5個200K電阻和1K電阻分壓后連接到N，1K電阻兩端的電壓輸入至VP PIN，計量芯片通過測量VP的電壓，就可以采樣到L線的電信號。

電流信號采樣：

對電流信號的采樣是通過對1mR采樣電阻兩端的電平進行采樣，因為 U = I*R，R等于1mR,U可以通過計量芯片進行測量得到，那么也就間接采樣到I的信號。

得到電壓信號和電流信號后，根據(jù)算法，計量芯片HLW8110就可以計算出有效電壓、有效電流和有功功率等電能參數(shù)。

下圖是HLW8110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,從本質(zhì)上來，計量芯片是屬于ADC的一類，只不過我們經(jīng)常用到的ADC芯片是用來測量直流信號的，而計量芯片是用來測交流信號的。被采樣的信號是通過IAPIANVPGND引腳進入到芯片內(nèi)部，然后通過PGA（運放）進入到ADC進行采樣，而ADC模塊的1.25V的VREF是通過供電電源VDD轉(zhuǎn)化而來的，VRFF的參考地是GND。

圖2：HLW8110內(nèi)部框圖

因為信號采樣電路的電平是N為參考的電平信號，如圖1，電壓采樣信號的電平VP的電平是以N為參考點的電平信號。電流采樣的信號電平1mR采樣電阻兩端的電平是也是以N為參考點的電平信號。

如圖2，運放的VREF是以GND為參考點的參考電壓，所以送到計量芯片的信號也必須以GND為參考，才能進行有效的測量。

我們都知道，測量必須有一個統(tǒng)一的參考，才可能進行有效的測量，所以在設(shè)計電路時，我們需要把N和GND連接起來，形成同一個參考。

我們經(jīng)常會從安全角度考慮，因為擔(dān)心強電有危險，在圖1的電路上，刻意不將N和GND進行短接，如下圖,其實這是一種錯誤的接法，沒有統(tǒng)一的參考點，如何能夠進行正確的測量呢。

圖3 錯誤的電路設(shè)計圖

互感器采樣電路

下圖是互感器的設(shè)計參考，電流和電壓的采樣信號是通過互感器變比后的信號，然后送到HLW8110進行采樣。

圖4 互感器采樣方式設(shè)計參考

那么為什么兩份設(shè)計參考，圖一是N和GND相連，而圖四的N和GND不相連?因為互感器的被測信號己經(jīng)不是L和N了，而是變比之后的信號，我們只要保證變后的信號和GND在同一個參考點就可以。

安全性

從安全性方面來講，互感器采樣方式是優(yōu)于電阻采樣方式，因為互感器采樣將強電信號從源頭己經(jīng)開始隔離，那么在遇到強電設(shè)計的產(chǎn)品，我們應(yīng)該從哪幾個方面加強安全性，有如下方法：

1、 外殼絕緣,這是最好的方法，外殼完全絕緣，基本己經(jīng)保證產(chǎn)品的安全性。

2、 改量以N線做為參考地，在N線不能做為參考地的前得下，再使用L為參考地，因為N對大地的壓降是0V,而L對大地的壓降是220V。

計量芯片的主要功能

計量芯片最基礎(chǔ)的功能是測量用電量、功率大小、有效電流和有效電壓，這是計量芯片最基礎(chǔ)的測量功能。還有一些計量芯片除了基礎(chǔ)的測量功能外，還可以測量功率因素、市電的線性頻率、相角、過零點、視在功率等參數(shù)，這類計量芯片的功能比較多。下表是列舉了合力為幾類計量芯片功能分類。

下表是不同型號的計量芯片的性能和功能差異表

計量芯片的選型參數(shù)

我們可以通過上面的順序，對產(chǎn)品相關(guān)的指標(biāo)進行分解。

1、刷新速率：是指產(chǎn)品需要的電量參數(shù)數(shù)據(jù)的更新速度;

2、最小測量電流值：產(chǎn)品需要可以測量的最小的電流是多少mA?

3、最小測量功率值：產(chǎn)品需要可以測量的最小的電流是多少W?

4、準(zhǔn)確度：產(chǎn)品需要的精度偏差允許范圍是多少，比如1%以內(nèi)，2%以內(nèi)，或5%以內(nèi)?

5、電量測量范圍：產(chǎn)品可以測量電壓范圍是，比如90V到265V?

6、是否需要校準(zhǔn)？

校準(zhǔn)是一個比較復(fù)雜的工序，有一些產(chǎn)品因為精度要求不高，比如不需要1%以內(nèi)的精度，那么可以選用免校準(zhǔn)的計量芯片。

7、通訊接口

根據(jù)MCU的資源，選用帶有UART或SPI接的量芯片。

8、線性頻率

如果對市電的線性頻率進行測量，可以選用帶有線性頻率測量功能的計量芯片。

9、功率因素

如果對市電的線性頻率進行測量，可以選用帶有線性頻率測量功能的計量芯片。

根據(jù)上面幾條，我們大致可以縮小選型范圍，找到合適的計量芯片。

計量芯片的廠商

電量計量芯片廠商主要包括國內(nèi)外的一些知名公司。

在國內(nèi)，主要的電量計量芯片廠商有復(fù)旦微電子、上海貝嶺、珠海炬力、深圳銳能微合力為，艾創(chuàng)微以及鉅泉光電等。這些公司在電能計量芯片領(lǐng)域擁有多年的研發(fā)經(jīng)驗和市場份額，提供多種型號的電能計量芯片產(chǎn)品，包括單相和三相計量芯片，廣泛應(yīng)用于智能電表等領(lǐng)域。

在國際市場上，主要的電量計量芯片廠商包括ADI、TDK、Atmel、Cirrus Logic等。這些公司同樣在電能計量芯片領(lǐng)域擁有較高的技術(shù)水平和市場份額，其產(chǎn)品在性能和精度等方面表現(xiàn)優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于全球范圍內(nèi)的電能計量和智能電表領(lǐng)域。

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