物聯網系統中為什么要使用電量計量芯片

在物聯網系統中，使用電量計量芯片的原因主要可以歸結為以下幾個方面：

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，從而實現對能源消耗的實時監(jiān)控。這對于提高能源使用效率、減少浪費至關重要。

數據分析：通過電量計量芯片收集的數據，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)現潛在的節(jié)能機會。

2、智能控制與管理

遠程監(jiān)控：物聯網系統中的電量計量芯片可以通過無線通信技術將數據傳輸到云端或本地服務器，實現遠程監(jiān)控和管理。這為用戶提供了極大的便利，無需現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據，物聯網系統可以實現自動化控制，如根據能耗情況自動調整設備的工作狀態(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：用戶在使用物聯網系統時，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、技術進步與創(chuàng)新

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

多功能集成：現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、數據存儲等，為物聯網系統的集成和應用提供了更多可能性。

5、廣泛應用場景

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

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

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，實現電能的計量、統計和監(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)，檢測當前電壓、電流是否正常，統計耗電量等。

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，實現對電力消費的計量和監(jiān)控。

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

綜上所述，物聯網系統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、實現智能控制與管理、促進可持續(xù)發(fā)展以及滿足廣泛應用場景的需求。同時，隨著技術的不斷進步和創(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品，所以在行業(yè)內也俗稱電表芯片，它可以統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，根據下圖，我們對信號采樣進行分析。

圖1：電阻采樣方式設計參考

電壓信號采樣：

L經過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。

下圖是HLW8110的內部結構框圖,從本質上來，計量芯片是屬于ADC的一類，只不過我們經常用到的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轉化而來的，VRFF的參考地是GND。

圖2：HLW8110內部框圖

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，測量必須有一個統一的參考，才可能進行有效的測量，所以在設計電路時，我們需要把N和GND連接起來，形成同一個參考。

我們經常會從安全角度考慮，因為擔心強電有危險，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 錯誤的電路設計圖

互感器采樣電路

下圖是互感器的設計參考，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 互感器采樣方式設計參考

那么為什么兩份設計參考，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開始隔離，那么在遇到強電設計的產品，我們應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，基本己經保證產品的安全性。

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的測量功能。還有一些計量芯片除了基礎的測量功能外，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，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

我們可以通過上面的順序，對產品相關的指標進行分解。

1、刷新速率：是指產品需要的電量參數數據的更新速度;

2、最小測量電流值：產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：產品需要可以測量的最小的電流是多少W?

4、準確度：產品需要的精度偏差允許范圍是多少，比如1%以內，2%以內，或5%以內?

5、電量測量范圍：產品可以測量電壓范圍是，比如90V到265V?

6、是否需要校準？

校準是一個比較復雜的工序，有一些產品因為精度要求不高，比如不需要1%以內的精度，那么可以選用免校準的計量芯片。

7、通訊接口

根據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外的一些知名公司。

在國內，主要的電量計量芯片廠商有復旦微電子、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域擁有多年的研發(fā)經驗和市場份額，提供多種型號的電能計量芯片產品，包括單相和三相計量芯片，廣泛應用于智能電表等領域。

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域擁有較高的技術水平和市場份額，其產品在性能和精度等方面表現優(yōu)異，廣泛應用于全球范圍內的電能計量和智能電表領域。

供應商A：芯海科技

https://www.chipsea.com/

1、產品能力

（1）選型手冊

1715854547.xlsx

（2）主推型號1：CSE7759B

對應的產品詳情介紹

CSE7759B 為單相多功能計量芯片，其提供高頻脈沖 CF 用于電能計量，通過 UART 可以直接讀取電

流、電壓和功率的相關參數（如：系數、周期）；串口波特率為 4800 bps（±2%），8 位數據，1 位偶校

驗，1 停止位。本芯片采用 SOP8 封裝。

主要特性功能

電量累計誤差為±2%。

電流有效值、電壓有效值、功率誤差范圍詳見 2.3 小節(jié)。

串口 UART 通訊協議波特率為 4800bps。

內置電源監(jiān)控電路，當電源電壓低到 4V 時，芯片進入復位狀態(tài)。

內置 2.43V 的電壓參考源。

5V 單電源供電，工作電流小于 5mA。

主要應用領域：需要測量電壓、電流和功率的場合，例如單相多功能電能表、計量插座、數顯表

等。

硬件參考設計

2、支撐

（1）技術產品

技術資料

E88BED44EE8670A74B98B3773EA08C40.pdf

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審核編輯 黃宇