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基于功率计量芯片HLW8012电视节能插座方案

基于功率计量芯片HLW8012电视节能插座方案

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日期:
2014-12-26
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  电视节能插座是一种对传统排插的改进排插,可以测量功率,根据电视的工作状态,自动控制周边设备电源的开关。本文主要讲述电视节能插座的主要功能、硬件原理图等。此方案采用HLW7021作为控制MCU,以专用功率计量芯片HLW8012为电量采集器件。

  一、电视节能插座原理

  电视节能插座需要测量功率,同时电视节能插座产品内部空间小,本次设计使用功率计量芯片HLW8012作为测量器件。因为HLW8012内置晶振、参考源,SOP8封装,外围电路简单,在满足性能要求的同时,可以做到体积更小。

  HLW8012主要特性

  (1)高频脉冲CF,指示有功功率,在1000:1范围内达到±0.3%的精度

  (2)高频脉冲CF1,指示电流或电压有效值,使用SEL选择,在500:1范围内达到±0.5%的精度

  (3)内置晶振、2.43V电压参考源及电源监控电路

  (4)5V单电源供电,工作电流小于3mA

  HLW8012输入输出

  

  图1 HLW8012芯片引脚图

  (1)V1P,V1N输入电流采样信号:峰峰值VP-P:±43.75mV,最大有效值:±30.9mV。

  (2)V2P输入电压采样信号:峰峰值VP-P:±700mV,最大有效值:±495mV。

  (3)高频脉冲CF(PIN6):指示功率,计算电能;输出占空比为1:1的方波。

  (4)高频脉冲CF1(PIN7):指示电流或电压有效值,SEL选择;输出占空比为1:1的方波。

  电视节能插座实际上是对传统排插的改进,连接电视及与电视相关的周边设备,如机顶盒、音箱、功放等。MCU从功率计量模块获取电视机的功率,判断电视是否正在使用。如果电视正在使用,功率值较大,此时闭合继电器,打开周边设备电源;如果电视正在待机,功率值较低,些时切断继电器,关闭周边设备电源及电视电源。图2中,红色插孔为主机插孔,连接电视机;绿色插孔为副孔,连接周边设备;黑色插孔为常通孔,连接不需要被控制的电器。继电器控制主机插孔、副孔。用户需要看电视时,只需按下遥控器2次,直接观看电视,不需要手动去打开各个周边设备的电源;需要关闭电视,只需按下遥控器1次即可,不需要手动去关闭各个周边设备的电源。电视节能插座方案结构框图如下:

  

  图2 电视节能插座方案结构框图

  二、电视节能插座硬件设计

  电视节能插座硬件设计相对应于结构框图,有5部分模块电路:电源管理电路、功率计量电路、红外接收模块电路、继电器控制电路及按键。

  电压、电流通道的采样方式有2种:互感器采样、电阻采样。本设计使用电阻采样方式。

  1、电源管理电路

  为了配合电阻采样方式(即从电网直接采样信号,非隔离),电源电路必须为非隔离电源,非隔离电源有2种方式:AC-DC非隔离电源、阻容降压电源。两者的比较如下:

  使用LNK304设计的AC-DC非隔离电源,L与N分别是交流火线与零线,以零线作为地线。此电路无需变压器,稳压5V,可以提供150mA左右的电流,能够保证在AC85V~265V的交流范围内,实现稳定的电压输出,纹波也很小,在50mV左右。此电源为所有模块提供工作电压。

  (1)AC-DC非隔离电源

  

  图3 AC-DC非隔离电源

  (2)阻容降压电源

  下图是低成本的阻容降压电源,以零线作为地线:

  

  图4 阻容降压电源

  经安规电容C1降压,二极管整流后,采用1N4749将电源降压至24V,再经过稳压芯片78L05将输出电源稳定在5V,给HLW8012提供电源,24V用于驱动继电器。如果选用12V的继电器,那么1N4749需改成1N4742,但是安规电容C1需更改为1uF的电容,以提高驱动电流。

  2、红外接收模块电路及LED指示

  红外接收头使用KS1838,工作电压2.7V~5V,工作电流0.8mV,载波频率38KHz。本文案中使用5V电源,MCU判断到起始信号之后,将波形的脉冲记录下来。

  

  图5 红外接收模块电路

  3、功率计量电路

  功率计量电路使用HLW8012实现,功率数据通过CF引脚以脉冲的方式输出,脉冲频率大小表示有功功率值。功率计量电路主要包括电流、电压的采样。

  

  图6 功率计量电路

  电流信号是通过锰铜电阻(R29,2mΩ)对主机孔的电流进行采样,信号量小于30.9mV;电压信号是通过电阻网络(R21, R22, R23, R24, R26)对交流电压进行分压采样,信号量小于495mV。锰铜电阻的接法:一端与GND连接,另一端与负载连接。

  MCU使用HLW7021,CF引脚连接HLW7021外部中断引脚。MCU通过测量CF引脚的脉冲周期,计算功率。

  

  图7 MCU与功率计量芯片连接

  4、按键电路

  按键电路部分只有1个按键。可以用于关闭插孔电源;长按按键进入红外学习模式;在红外学习模式长按进入功率学习模式。

  

  图8 按键电路

  5、继电器控制电路

  如果选用AC-DC电源,可选用5V的继电器;如果选用阻容降压电容,可选用12V/24V继电器,控制负载的火线闭合与关断。继电器的闭合与关断通过MCU控制三极管来实现。二极管D4防止继电器反向电动势对三极管Q1的损坏。

  

  图9 继电器控制电路

  6、PCB Layout注意事项

  (1)芯片电源引脚处的去耦电容尽量靠近芯片的引脚。

  (2)电压通道电阻分压网络,应呈阶梯式分布,逐渐降压,从输入端高压直至计量芯片的取样电压,注意电阻之间的爬电距离。

  (3)电流采样电阻的地线应和其它地线分开布线,以最短路径走线到主板参考地线输入端(如零线),减少对采样信号的干扰。

  (4)采样信号线走线要平行且靠近,尽量缩短布线,减小对采样信号的干扰。

  (5)芯片的地线要能够快速回到电源输入端压敏电阻的地上,减小地线对计量芯片的干扰。

  (6)电源走线不要走成环形,环形的电源走线容易受外界的电磁场干扰。

  (7)电压取样布线要和锰铜取样布线隔一定距离,以免相互干扰。

  (8)所有引线不宜太长,尤其是PCB装配固定后,所有引线不能直接接触计量芯片及其它外围电路。确实无法避免时,所有导线应分组加黄蜡套管,提高绝缘度。

  三、电视节能插座软件设计

  1、电视节能插座主流程图

  

  图10 基于HLW8012的电视节能插座主流程图

  上电初始化之后,开始功率脉冲的周期测量。功率测量成功之后,根据模式进行相应处理。红外接收成功之后,根据模式进行相应处理。按键处理主要包括开或关电源,进入红外学习模式,进入功率学习模式;模式处理根据相应的模式控制继电器的闭合与切断、LED指示灯。

  2、中断服务子程序流程图:测量脉冲周期的程序。

  

  图11 外部中断服务子程序

  

  图12 定时中断服务子程序

  以上是中断服务子程序中运行的内容。

  四、结束语

  电视节能插座设计可以在提高电视使用方便性的同时,减少了周边设备的待机功率,实现节能目的。随着现在电器使用越来越多,待机能耗浪费越来越多,如电视节能插座来的节能配件将会越来越多,如电脑节能插座,WIFI智能插座,蓝牙无线插座等。

  链接:www.hiliwi.com

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