三相四線制數(shù)字電表專用電源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1、No.2Big-bit半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng) http:/ic.big-三相四線制數(shù)字電表專用電源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 【大比特導(dǎo)讀】介紹了一款基于TOP224Y芯片的lOW 三相四線制電表專用電源模塊的原理電路、高頻變壓器的設(shè)計(jì)。其輸入交流電壓使用范圍為85-265Vrms，提供六路輸出：三路+5.0V、+15V、一15V和+24V。該電源體積小、重量輕，具有較高的可靠性和電磁兼容性能，可廣泛應(yīng)用于三相、單相智能電表中。摘要：介紹了一款基于TOP224Y芯片的lOW 三相四線制電表專用電源模塊的原理電路、高頻變壓器的設(shè)計(jì)。其輸入交流電壓使用范圍為85-265Vrms，提供六路輸出：三路+5.0V、+15V

2、、一15V和+24V。該電源體積小、重量輕，具有較高的可靠性和電磁兼容性能，可廣泛應(yīng)用于三相、單相智能電表中。隨著脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展與完善，開關(guān)穩(wěn)壓電源以其極高的性價(jià)比在空問技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)POWER INTEGRATION公司的第二代開關(guān)電源芯片 TOPswitch一系列芯片，與第一代產(chǎn)品相比，不僅性能上進(jìn)一步改進(jìn)，而且輸出功率明顯提高。其外圍元件少、開發(fā)周期短、成本低、系統(tǒng)可靠性高，是目前設(shè)計(jì)250w 以下的高效率、多功能單端反激式開關(guān)電源的最佳選擇。數(shù)字電表是開關(guān)電源廣泛應(yīng)用的場(chǎng)合之一。隨著社會(huì)用電量迅速增長(zhǎng)和用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高，三相智能電表

3、的需求量也迅速增長(zhǎng)。采用電子計(jì)量原理的三相智能電表具有高精度、多參數(shù)測(cè)量、諧波功率電能計(jì)量等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有的電表專用模塊中普遍存在輸出路數(shù)較少、隔離性較差等缺陷。本文介紹的三項(xiàng)四線制電表專用電源更適合應(yīng)用于單相(220V)、三相(380V)數(shù)字智能電表中，也可作為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的電源模塊。1性能特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)1.1智能電表電源的要求為了減少外圍接口，智能電表大多以測(cè)量電壓作為電表電源的進(jìn)線電壓，這就要求智能電表具有足夠?qū)挼碾妷狠斎敕秶?110v25v220v45v)，在智能電表的所有功能模塊中，從MCU處理器、A/D采樣芯片，到不同偏壓的數(shù)字電路、周邊設(shè)備以及輸入/輸出電路，都各有特定的電源電壓

4、要求。本電源模塊各輸出分別設(shè)計(jì)為：(1)主路5V供給MCU及相關(guān)數(shù)字電路。(2)輔路5V一路供給鍵盤、顯示及其驅(qū)動(dòng)電路，另外一路供給A/D和MCU的模擬電源。(3)土15V供運(yùn)算放大器芯片。(4)24V為外接繼電器提供電源。No.8Big-bit半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng) 智能電表因長(zhǎng)期在較惡劣的工作環(huán)境下工作，除了要求有較高的可靠性外，對(duì)電源的效率及散熱也有較高的要求。另外，電表電源還需要一定的電磁兼容性能，例如抗浪涌干擾以及抗射頻電磁場(chǎng)輻射等。對(duì)于智能電表電源，由于其輸出功率較高、輸出路數(shù)多、線性穩(wěn)壓電源的效率低、適應(yīng)電網(wǎng)電壓范圍窄，穩(wěn)壓性能差、笨重等，智能電表趨向于采用技術(shù)成熟的開關(guān)電源。1.2

5、電源模塊技術(shù)指標(biāo)(1)三相四線制輸入。當(dāng)輸入為單相時(shí)也可工作。電源進(jìn)線端可直接接電表的電壓測(cè)量端獲取電能，輸入電壓范圍每相85V265V(AC)或80V375V(DC)。(2)采用TOP224Y設(shè)計(jì)的具有六路輸出的單端反激式電源。最大輸出功率約lOW，六路輸出分別是：+5V/1A、兩路+5V/0.2A、+15V/0.1A、一15V/0.1A、+24V/50mA。(3)輔路輸出設(shè)計(jì)具有低壓差三端穩(wěn)壓芯片，使得輔路的輸出電壓不受主路負(fù)載變化的影響。(4)具有斷電提示P0WERG00D信號(hào)。當(dāng)輸入母線電壓驟降(如發(fā)生三相短路或操作分閘)在電源停止輸出之前產(chǎn)生下降沿時(shí)，通知電表芯片及時(shí)存儲(chǔ)有用的數(shù)據(jù)。

6、(5)電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)壓性好、可靠性高，配有光耦和TL431的反饋回路使穩(wěn)壓性能顯著提高。輸入端具有抗啟動(dòng)過流、浪涌電壓的能力，同時(shí)具有過熱保護(hù)、短路自動(dòng)重啟、安全電流限制功能。(6)具有良好的抗干擾特性。2 電路設(shè)計(jì)三相四線制電表專用電源模塊的電路圖如圖1所示。根據(jù)六路輸出的電流及電壓估算總功率約為10W.TOP224推薦功率為40W。采用功率容量較大的TOP224不僅可以提高電源的效率和電源模塊的過載能力，更有利于提高電源模塊的可靠性。由于TOPS tch II芯片集成度高，設(shè)計(jì)工作主要針對(duì)外圍電路進(jìn)行。外圍電路可以分為輸入整流濾波電路、箝位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋電路、軟

7、啟動(dòng)電路及電磁兼容設(shè)計(jì)七部分。2.1輸入整流濾波電路的確定整流濾波電路包括三相整流、EMI濾波和直流濾波三部分。三相濾波采用三相半波整流，快恢復(fù)整流管選用耐壓值600V的MUR160，EMI濾波采用直流EMI濾波器。直流濾波電容由次級(jí)輸出的總功率決定，設(shè)計(jì)為661xF，若取整流二極管導(dǎo)通時(shí)間典型值t=3ms，由下式可導(dǎo)輸入電容設(shè)計(jì)耐壓值：感量LP、磁心氣隙寬度、初級(jí)匝數(shù)D、次級(jí)匝數(shù) 、反饋繞組匝數(shù)F、初級(jí)裸導(dǎo)線直徑D 、初級(jí)導(dǎo)線外徑DIM、次級(jí)裸導(dǎo)線直徑D和次級(jí)裸導(dǎo)線外徑砜。上述參數(shù)除了L。可以通過計(jì)算得出，其他均要進(jìn)行迭代，直到滿足磁通密度B =0.20.3T、磁芯氣隙寬度80.05mm、初

8、級(jí)繞組電流密度.，=(410)A/mm 的條件為止21。(1)高頻變壓器骨架采用EFD25鋅錳鐵氧體磁芯，其參數(shù)：磁芯有效截面積5J=0.58cm 、磁路有效長(zhǎng)度2=57mm、磁芯不留間隙時(shí)的等效電感AL=1800nH/112、骨架寬度b=16.4mm。(2)確定初級(jí)電路的有關(guān)參數(shù)在計(jì)算初級(jí)電感量之前，先確定初級(jí)電路的有關(guān)參數(shù)驗(yàn)證.，是否滿足.，=(410)A/mm 。如果 10A/mm ，則選擇較粗的導(dǎo)線或多股繞制;否則可選擇較細(xì)的導(dǎo)線。實(shí)際當(dāng)中結(jié)合POWER INTEGRATION 的單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)軟件PIXLs Designer電子表格，綜合上述的計(jì)算結(jié)果來(lái)確定變壓器的參數(shù)。其設(shè)計(jì)結(jié)果

9、如下：初級(jí)繞組用p0.21mm漆包線繞兩層50+50匝，次級(jí)主回路繞組用p0.20mm 漆包線繞4層4匝，兩路5V各用P0.14mm 漆包線繞4層5匝，15V用p0.14mm 漆包線繞2層14匝，24V輸出用p0.25mm漆包線繞1層18匝，反饋繞組用p0.14mm 漆包線繞9匝。初級(jí)電感量9571xH 。 2.4輸出整流濾波電路的確定整流管必須選擇恢復(fù)速度高的肖特基整流管，具體的選擇是依據(jù)各路的輸出電壓水平和輸出電流容量，整流管額定工作電流至少為該支路最大輸出電流的三倍以上，管子的反向耐壓也需要在最低耐壓值的基礎(chǔ)上留夠裕量。具體方案如表1所示。表1輸出整流管的選擇主路采用叮T型濾波電路， 電

10、容取2201xF/35V，電感為5.6txH，兩個(gè)輔路5V，15V支路采用LM29系列低壓差三端穩(wěn)壓器，就可以有效地減小主路負(fù)載變化時(shí)對(duì)輔路的影響。24V支路采用叮T型濾波電路并串連磁珠防止外界的高頻干擾。2.5 反饋電路的設(shè)計(jì)精密光耦反饋電路由PC817和TIA31組成，輸出電壓經(jīng)過尺 和尺5取樣后，與TIA31內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.5V進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，再通過PC817去改變TOP224Y的輸出占空比 用TL431來(lái)構(gòu)成外部誤差放大器可以改善調(diào)節(jié)性能，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。TIA31的偏置電流僅為lmA，這有助于降低空載損耗。2.6 軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)由于電源為多路輸出，變壓器所接電容較多，

11、啟動(dòng)時(shí)充電電流較大，因此必須設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)限制開啟電源時(shí)的占空比.使輸出電壓平穩(wěn)地升高。為此在TL431正負(fù)極兩端并聯(lián)一只47tzF的電解電容c5作為軟啟動(dòng)電容，可以獲得大于2ms的軟啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)TOP224起到了保護(hù)作用。斷電時(shí)C 通過尺 進(jìn)行放電。2.7 電磁兼容及抑制瞬態(tài)干擾的設(shè)計(jì)電磁兼容設(shè)計(jì)主要考慮抑制電源發(fā)出的差模干擾和共模干擾，并且減小外界引入的高頻干擾。本電源模塊采用直流EMI濾波器，其中的濾波電容(X電容)可以有效抑制由初級(jí)電流基波與諧波所產(chǎn)生的差模泄漏電流，其中的模扼流圈可以抑制由初級(jí)繞組接TOP芯片D端的高壓開關(guān)波形所產(chǎn)生的共模泄漏電流 。圖1中，具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻尺

12、 可以限制上電時(shí)電流的突然增大，避免濾波電容受到大電流的沖擊。尺。為壓敏電阻，當(dāng)電網(wǎng)上電壓超過275V時(shí)，尺。被擊穿，能起到箝位保護(hù)的作用。C：用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的高頻電壓干擾，C 為安全電容，用于濾除由高頻變壓器初、次級(jí)耦合電容引起的干擾。 3 電源性能測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室完成了對(duì)該電源模塊的制作和實(shí)驗(yàn)，在輸入220Vrms電源滿載的情況下，電源效率不低于75%。圖2為該電源模塊實(shí)物圖。本模塊使用的PCB板的尺寸為標(biāo)準(zhǔn)PC104板(90mmx96mm)。3.1 電壓調(diào)整率在各路滿載情況下測(cè)量電壓調(diào)整率，其中，主路5V電壓調(diào)整率小于1% 。除24V支路以外， 由于其他輔路中有三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，其電壓調(diào)整率均小于0.5% ，達(dá)到精密電源的要求3.2 負(fù)載調(diào)整率在其余支路均滿載時(shí)測(cè)量每路負(fù)載調(diào)整率。主路5V負(fù)載調(diào)整率小于1.5%。除24V支路以外，由于其他輔路中有三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，其負(fù)載調(diào)整率均小于0.5% 。3.3 紋波電壓輸出各電壓波形均在電源模塊滿載時(shí)測(cè)量。由于三端穩(wěn)壓的存在，使得輔路5V 和15V輸出電壓的紋波明顯減小?；赥OP224Y 芯片的多路輸出電表專用電源模塊與傳統(tǒng)的開關(guān)電源相比，具有外圍元件少、可靠性高、針對(duì)性強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)。該電源在一款智能電表上得到了應(yīng)用，實(shí)際工作中性能穩(wěn)定可靠。隨著智能電表的普及，這種電表專用電源模塊將會(huì)