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节约资源电量计量可以帮助人们控制用电量从而达到节约资源的目的。在当前严峻的资源供应形势下节约能源是我们应该重视的问题。合理计费电表可以帮助公共事业单位进行合理计费以维护公共事业的正常运营。同时使用者也能根据自己的实际用电量来支付相应的费用。监控消耗通过定期查看电量的使用情况能够快速发现用电量异常的情况。及时修复故障避免浪费资源和高额费用。 本文将主要介绍电量计量中最重要的组成部分——电量计量芯片。 电量计量芯片的定义 电量计量芯片是用于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单相计量芯片和三相计量芯片。 电量计量芯片的工作原理 电量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 为例根据图 1我们可以对信号采样进行分析。 1、电压信号采样 L 线经过 5 个 200K 电阻和 1K 电阻分压后连接到 N1K 电阻两端的电压输入至 VP PIN计量芯片通过测量 VP 的电压就可以采集到 L 线的电信号。 2、电流信号采样 对电流信号的采集是通过对 1mR 采样电阻两端的电平进行采样根据 U I*RR 等于 1mRU 可以通过计量芯片进行测量得到从而间接采样到 I 的信号。 得到电压信号和电流信号后计量芯片 HLW8110 根据算法就可以计算出有效电压、有效电流和有功功率等电能参数。 计量芯片属于 ADC 芯片的一种其主要区别在于常用的 ADC 芯片是用来测量直流信号的而计量芯片是用来测量交流信号的。 被采样的信号通过 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。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以N为参考的电平信号如图 1 所示电压采样信号的电平VP的电平以及电流采样的信号电平1mΩ采样电阻两端的电平都是以N为参考点的电平信号。 如图 2 所示运放的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进行短接如下图所示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 如下图所示互感器的设计参考中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 那么为何两份设计参考中图一的 N 和 GND 相连而图四的 N 和 GND 却不相连呢这是因为互感器的被测信号已经不再是 L 和 N而是经过变比后的信号。因此我们只需确保变比后的信号与 GND 在同一个参考点即可。 安全性 从安全性方面来看互感器采样方式优于电阻采样方式。因为互感器采样可以从源头隔离强电信号。那么在设计强电产品时我们应该从哪几个方面加强安全性呢以下是一些方法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。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。
电量计量芯片的主要功能 计量芯片的基本功能是测量用电量、功率大小、有效电流和有效电压。一些计量芯片除具备基本测量功能外还能测量功率因素、市电的线性频率、相角、过零点、视在功率等参数这类芯片功能比较丰富。下表对不同类型计量芯片的功能进行了分类 计量芯片的性能和功能因型号而异具体如下表所示 电量计量芯片的选型参数 我们可以按照上述顺序来分解与产品相关的指标。
刷新速率是指产品需要的电量参数数据的更新速度。最小测量电流值产品可以测量的最小电流是多少 mA最小测量功率值产品可以测量的最小功率值是多少 W准确度产品允许的精度偏差范围是多少例如 1%以内、2%以内或 5%以内电量测量范围产品可以测量的电压范围例如 90V 到 265V是否需要校准校准是一个复杂的工序。某些产品由于精度要求不高例如不需要 1%以内的精度则可以选择免校准的计量芯片。通讯接口根据 MCU 的资源选择带有 UART 或 SPI 接口的计量芯片。线性频率如果需要测量市电的线性频率可以选择带有线性频率测量功能的计量芯片。功率因素如果需要测量市电的功率因素可以选择带有功率因素测量功能的计量芯片。 根据以上几条我们可以大致缩小选型范围找到合适的计量芯片。
电量计量芯片的应用场景 计量芯片的主要应用场景包括
智能电网在智能电网中计量芯片可以实时监测电力系统的功率参数如电流、电压、功率因数等为智能电网的运行和管理提供支持。工业自动化在工业生产中计量芯片可用于监测和控制电力消耗实现电能的准确计量和分析为企业节能降耗提供参考依据。智能家居随着智能家电的发展计量芯片可作为基本的“传感器”之一集成在各类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用于监测和控制能源的消耗实现能源的优化利用和管理。 总之作为一种测量交流电信号的芯片计量芯片应用范围极广。随着物联网和智能化的发展其应用场景将会更加丰富和多样化。
电量计量芯片的厂商 电量计量芯片厂商主要包括国内外的一些知名公司。 国内厂商
复旦微电子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。上海贝岭主要从事电能计量芯片的研发和生产其产品广泛应用于智能电表等领域。珠海炬力专注于电能计量芯片的研发和生产其产品性能和精度得到了市场的广泛认可。深圳锐能微合力为主要生产电能计量芯片其产品广泛应用于智能电表等领域。艾创微是一家专注于集成电路设计的企业其电能计量芯片产品具有较高的性价比。钜泉光电主要从事电能计量芯片的研发和生产其产品广泛应用于智能电表等领域。 国际厂商ADI是一家全球领先的模拟半导体公司在电能计量芯片领域拥有较高的技术水平和市场份额。TDK是一家日本电子元件制造商在电能计量芯片领域拥有丰富的经验和技术实力。Atmel是一家以色列半导体公司提供高性能的电能计量芯片产品。Cirrus Logic是一家美国半导体公司在电能计量芯片领域拥有广泛的产品线和市场份额。 如何了解更多专业知识 点击这个链接来奇迹物联北京科技有限公司的IOT组件选器库吧。
