三相四線制數(shù)字電表專用電源的設計和實現(xiàn)精

1、三相四線制數(shù)字電表專用電源的設計和實現(xiàn)【大比特導讀】介紹了一款基于TOP224Y芯片的1OW三相四線制電表專用電源模塊的原理電路、高頻變壓器的設計。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、-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，可廣泛應用于三相、單相智能電表中。摘要：介紹了一款基于TOP224YK片的1OW三相四線制電表專用電源模塊的原理電路、高頻變壓器的設計。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

2、能，可廣泛應用于三相、單相智能電表中。隨著脈寬調(diào)制技術的發(fā)展與完善，開關穩(wěn)壓電源以其極高的性價比在空問技術、計算機、通信、家電等領域得到了廣泛的應用。美國POWERINTEGRATION司的第二代開關電源芯片TOPswitch一n系列芯片，與第一代產(chǎn)品相比，不僅性能上進一步改進，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，是目前設計250w以下的高效率、多功能單端反激式開關電源的最佳選擇。數(shù)字電表是開關電源廣泛應用的場合之一。隨著社會用電量迅速增長和用戶對電能質(zhì)量要求的不斷提高，三相智能電表的需求量也迅速增長。采用電子計量原理的三相智能電表具有高精度、多參數(shù)測量、諧波

3、功率電能計量等優(yōu)勢。現(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。本文介紹的三項四線制電表專用電源更適合應用于單相(220V、三相(380V數(shù)字智能電表中，也可作為電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的電源模塊。1性能特點與技術指標1.1智能電表電源的要求為了減少外圍接口，智能電表大多以測量電壓作為電表電源的進線電壓，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MCUb理器、A/D采樣芯片，到不同偏壓的數(shù)字電路、周邊設備以及輸入/輸出電路，都各有特定的電源電壓要求。本電源模塊各輸出分別設計為：(1主路5V供給MCIM相關數(shù)字電路。(2輔路5V

4、一路供給鍵盤、顯示及其驅(qū)動電路，另外一路供給A/D和MCU勺模擬電源。(3土15V供運算放大器芯片。(424V為外接繼電器提供電源。智能電表因長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輻射等。對于智能電表電源，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成熟的開關電源。1.2電源模塊技術指標(1三相四線制輸入。當輸入為單相時也可工作。電源進線端可直接接電表的電壓測量端獲取電能，輸入電壓范圍每相85V265V

5、(AC或80V375V(DC(2采用TOP224Y設計的具有六路輸出的單端反激式電源。最大輸出功率約1QW/六路輸出分別是：+5V/1A、兩路+5V/0.2A、+15V/0.1A、-15V/0.1A、+24V/50mA=(3輔路輸出設計具有低壓差三端穩(wěn)壓芯左，使得輔路的輸出電壓不受主路負載變化的影響。(4具有斷電提示P0WERG00陪號。當輸入母線電壓驟降(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，通知電表芯片及時存儲有用的數(shù)據(jù)。(5電路簡單、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。輸入端具有抗啟動過流、浪涌電壓的能力，同時具有過熱保護、短路自動重啟

6、、安全電流限制功能。(6具有良好的抗干擾特性。2電路設計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TOPStch-II芯片集成度高，設計工作主要針對外圍電路進行。外圍電路可以分為輸入整流濾波電路、箝位保護電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋電路、軟啟動電路及電磁兼容設計七部分。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，快恢復整流管選用耐壓值6

7、00V的MUR160EMI濾波采用直流EMI濾波器。直流濾波電容由次級輸出的總功率決定，設計為661xF,若取整流二極管導通時間典型值t=3ms,由下式可導輸入電容設計耐壓值:v1溫格2忡*3一7TBV上式中E為開美電源的效率.鼻螫魚為附現(xiàn);，明特率.實際電容胡底值"*X)V：2箱檢并熱看fVOZ)和明富二極管的送持每個開關周期內(nèi)當TD年向小關廝.次蝮電路處于感量LP、磁心氣隙寬度、初級匝數(shù)IVD次級匝數(shù)、反饋繞組匝數(shù)IVF、初級裸導線直徑D、初級導線外徑DIM、次級裸導線直徑D和次級裸導線外徑碉。上述參數(shù)除了L。可以通過計算得出，其他均要進行迭代，直到滿足磁通密度B=0.20.3T

8、、磁芯氣隙寬度8>0.05mm初級繞組電流密度.,二(410A/mm的條件為止21。5J=0.58cm、磁路(1高頻變壓器骨架采用EFD25鋅鎰鐵氧體磁芯，其參數(shù)：磁芯有效截面積有效長度2=57mm磁芯不留間隙日的等效電感AL=1800nH/112、骨架寬度b=16.4mm5(2確定初級電路的有關參數(shù)在計算初級電感量之前，先確定初級電路的有關參數(shù)軻級電或平均值/懺-"Ljc明或桿鞋值電洲：人W=(2I)曰*燈.-Vmtd.J,一大占空比：，一-狗堀帽值迎就：小式中為劉耀波西電湎節(jié)初編*1值電瓶的比值.決定了開關鼻的工作亦或逢蝶方式或不黑靖方式3就撥電感值的修定*,_itfpwz

9、oal+tmu號yv計百善程想曲融次級境帆般魔爪.再加JzH特貓靜黃雪04V正向伍博。.次域座數(shù)為5+041x0*Ft-3.24由。擊于制證徽蛆上還存在導線電阻.實時4瞳.機組燒用迎我喻定如下工5離羔反饋覆型(Ln+Oi)5+04實取9隹*其也若提俎的電天均按用伏曲數(shù)來蚱K.W伏祖教的定義為由=k與=STT24V燒(ft之外,其他各聯(lián)帷加廣還博了低桂芳三端糖作制.所以在計百變用器境承時逐矍加上1-2V的電出刊應的般組|小驗證大變逋密度兒及7聰寬度3%=，8工£=4QvS()H.峪,"'IIOOGL,IW0iLJ(力埔定等修線面枳初級導鰻外柱用以下公式扁定XW&quo

10、t;討算電流甯度工J/啜心Whs._#史itfI足J-r4-10U/mmto®J>t017mm'驗證.，是否滿足.，=(410A/mm。如果10A/mm,則選擇較粗的導線或多股繞制；否則可選擇較細的導線。實際當中結合POWERINTEGRATIO的單片開關電源設計軟件PIXLsDesigner電子表格，綜合上述的計算結果來確定變壓器的參數(shù)。其設計結果如下：初級繞組用p0.21mm漆包線繞兩層50+50匝，次級主回路繞組用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

11、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上留夠裕量。具體方案如表1所示。表1輸出整流管的選擇出心熱設計能害際反向桑氏,生207.5IN5M13040Ait2003反tin身n414H730.3主路采用叮T型濾波電路，電容取2201xF/35V,電感為5.6txH,兩個輔路5V,±15V支路采用LM29系列低壓差

12、三端穩(wěn)壓器，就可以有效地減小主路負載變化時對輔路的影響。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 反饋電路的設計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)部基準電壓2.5V進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，再通過PC817去改變TOP224Y的輸出占空比用TL431來構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 軟啟動電路的設計由于電源為多路輸出，變壓器所接電容較多,啟動時充電電流較大，因此必須設計軟啟動環(huán)節(jié)限制開啟電源時的占空比TW出電壓平穩(wěn)地升高。為此在TL

13、431正負極兩端并聯(lián)一只47tzF的電解電容c5作為軟啟動電容，可以獲得大于2ms的軟啟動時間，對TOP224起到了保護作用。斷電時C通過尺進行放電。2.7 電磁兼容及抑制瞬態(tài)干擾的設計電磁兼容設計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繞組接TOP芯片D端的高壓開關波形所產(chǎn)生的共模泄漏電流。圖1中，具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻尺可以限制上電時電流的突然增大，避免濾波電容受到大電流的沖擊。尺。為壓敏曳迎，當電網(wǎng)上電壓超過275V時，尺

14、。被擊穿，能起到箝位保護的作用。C:用來濾除來自電網(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、次級耦合電容引起的干擾。3電源性能測試在實驗室完成了對該電源模塊的制作和實驗，在輸入220Vrms電源滿載的情況下，電源效率不低于75%圖2為該電源模塊實物圖。本模塊使用的PCB板的尺寸為標準PC104板(90mmx96mm3.1 電壓調(diào)整率在各路滿載情況下測量電壓調(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%,達到精密電源的要求3.2 負載調(diào)整率在其余支路均滿載時測量每路負載調(diào)整率。主路5V負載調(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測量。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)的開關電源相比，具有外圍元件少、可靠性高、針對性強、性價比高的特點。該電源在一款智能電表上得到了應用，實際工作中性