智能电能表电源设计技术探讨

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1、智能电能表电源设计技术探讨智能电能表电源设计技术探讨李向锋李向锋浙江正泰仪器仪表有限责任公司浙江正泰仪器仪表有限责任公司目录目录一、智能电表中的线性电源设计一、智能电表中的线性电源设计二、智能电能表开关电源设计二、智能电能表开关电源设计三、智能电能表先进开关电源三、智能电能表先进开关电源-PFCPFC设计设计四、国内外智能电表开关电源实例介绍四、国内外智能电表开关电源实例介绍五、隔离变压器与五、隔离变压器与DCDC- -DCDC应用应用智能电能表工作原理智能电能表工作原理三相智能电能表工作原理三相智能电能表工作原理智能电表中的线性电源设计智能电表中的线性电源设计线性电源线性电源 智能电表由智能

2、电表由MCUMCU、显示与驱动、计量、通讯（含模块）、存储、电源与、显示与驱动、计量、通讯（含模块）、存储、电源与管理等部分组成。管理等部分组成。 优秀的电源设计是电能表可靠运行的基本保障。优秀的电源设计是电能表可靠运行的基本保障。 线性电源具有设计和制造简单、适应性强、可靠性经过大批量验证、线性电源具有设计和制造简单、适应性强、可靠性经过大批量验证、成本较低、抗干扰能力强、纹波电压小等优点，已经成为智能电表的主成本较低、抗干扰能力强、纹波电压小等优点，已经成为智能电表的主流。流。 缺点是：电压工作范围窄、功率密度小、效率低、功率因数低。缺点是：电压工作范围窄、功率密度小、效率低、功率因数低。

3、整流电路整流电路是将工频交流电转为具有直是将工频交流电转为具有直 流电成分的脉动直流电。流电成分的脉动直流电。滤波电路滤波电路是将脉动直流中的交流成分是将脉动直流中的交流成分 滤除，减少交流成分，增加直流成分。滤除，减少交流成分，增加直流成分。 稳压电路稳压电路对整流后的直流电压采用对整流后的直流电压采用 负反馈技术进一步稳定直流电压。负反馈技术进一步稳定直流电压。智能电表智能电表电子电路工作时都需要直流电源提供能量；电池因使用费用高，一般只电子电路工作时都需要直流电源提供能量；电池因使用费用高，一般只 用于维持实时时钟，以及使用频次不高的停电显示和抄表。用于维持实时时钟，以及使用频次不高的停

4、电显示和抄表。智能电表线性电源组成电源单元电源单元电池容量检电池容量检 测电路测电路压敏电阻，抗浪涌实验压敏电阻，抗浪涌实验热敏电阻，热敏电阻，1.9倍过电压保护倍过电压保护电池电池电解电容电解电容智能电能表的线性电源智能电能表的线性电源智能电能表的线性电源智能电能表的线性电源线性电源体积大，功率线性电源体积大，功率 密度仅密度仅0.10.2W/cm3,平平 均效率均效率40%50%电源单元电源单元智能电能表的线性电源智能电能表的线性电源工频变压器设计要点工频变压器设计要点1铁芯的选择铁芯的选择（1）计算变压器次级总功率）计算变压器次级总功率（2）变压器本身损耗应按次级总功率的）变压器本身损耗

5、应按次级总功率的30%50%计算计算（3）铁芯型式与有效截面积）铁芯型式与有效截面积矽钢片（矽钢片（R型型/C型型/环型）环型）（4）10W以下小功率变压器以下小功率变压器 K=2.02.22.原副变匝数计算原副变匝数计算（1）选定矽钢片材质（）选定矽钢片材质（表面有鳞片结晶表面有鳞片结晶最佳）最佳）（2）每伏匝数）每伏匝数（3）考虑导线电阻，次级应放大）考虑导线电阻，次级应放大5%10%（由电流大小确定）（由电流大小确定）3.漆包线线径选择漆包线线径选择 ：3A/cm2（IA, dmm）4.阻燃骨架与高强度阻燃骨架与高强度漆包线漆包线绕制（逐圈密排、层叠绕制）绕制（逐圈密排、层叠绕制）5.绝

6、缘控制（绝缘控制（4kV AC 5mA/min）6.浸漆与灌封浸漆与灌封7.符合符合GB19212.7-2006一般用途隔离变压器特殊要求一般用途隔离变压器特殊要求1PKSi22PP21)5 . 13 . 1 (PPabSS/5540N）（Id8 . 065. 0工频变压器设计数据工频变压器设计数据智能电能表的线性电源智能电能表的线性电源智能电能表的线性电源智能电能表的线性电源 线性电源线性电源FMEAFMEA1. 变压器漏磁严重，干扰计量，影响变压器漏磁严重，干扰计量，影响EMC性能性能2. 变压器绝缘强度不足，雷电等易击穿，损坏电表变压器绝缘强度不足，雷电等易击穿，损坏电表3. 变压器铁芯

7、锈蚀，导致输出能力下降，严重时影响通信、计量等正常工作变压器铁芯锈蚀，导致输出能力下降，严重时影响通信、计量等正常工作4. 载波、光纤、载波、光纤、GPRS等智能电表工作瞬间功率大，变压器设计容量不足会导等智能电表工作瞬间功率大，变压器设计容量不足会导 致输出能力不足，严重时影响通信、计量等正常工作（电表复位、死机等）致输出能力不足，严重时影响通信、计量等正常工作（电表复位、死机等）智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源开关电源功能框图开关电源功能框图变压器高频 整流滤波器直流高频 交流高频 交流脉动直流直流高频 逆变整流 电路工频 交流整流电路整流电路是将工频交流电转为具有直是将工频交流电

8、转为具有直 流电成分的脉动直流电。流电成分的脉动直流电。逆变电路逆变电路是将直流电通过是将直流电通过PWM方式方式 控制的开关管转为高频脉冲交流电控制的开关管转为高频脉冲交流电 （20kHz 132kHz之间）。之间）。滤波电路滤波电路是将脉动直流中的交流成分是将脉动直流中的交流成分 滤除，减少交流成分，增加直流成分。滤除，减少交流成分，增加直流成分。智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源PWM控制电路控制电路小功率反激式开关电源原理框图小功率反激式开关电源原理框图OnOff智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源小功率反激式开关电源小功率反激式开关电源MOSMOS管保护管保护智能电能表的开

9、关电源智能电能表的开关电源小功率反激式开关电源的优点小功率反激式开关电源的优点1.功率输出小，效率高功率输出小，效率高2.输入输出电压和电流可调范围宽、响应速度快输入输出电压和电流可调范围宽、响应速度快3.设计简单、成本低设计简单、成本低4.功率密度适中，易于模块化功率密度适中，易于模块化5.技术方案选项多，有成熟设计可参考技术方案选项多，有成熟设计可参考6.输入输出容易实现隔离输入输出容易实现隔离智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源单相智能电表开关电源典型设计单相智能电表开关电源典型设计智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源1.采用与开关电源控制芯片配套的专用设计软件进行变压器设计2.

10、需要配套设计EMI抑制、MOS保护、过热和过载保护等3.变压器的加工要求非常高（气隙、绝缘、绕制方式等）4.开关电源配套的开关管、光耦、二极管的速度要求较高，否则影响开关电源的效率5.PCB布局有特殊要求反激式开关电源变压器是核心部件反激式开关电源变压器是核心部件智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源开关电源的输入开关电源的输入EMIEMI抑制抑制智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若 按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明： 1、二极管的反向恢复时间引起的干扰 高频整流回路中的整流

11、二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转 向截止时,由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流 会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。 2、开关管工作时产生的谐波干扰 功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零 电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变 压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。 3、交流输入回路产生的干扰 无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰 。 开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰

12、能量,通过开关电源的输入输出线传播出去而 形成的干扰称之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时，都会 在空间产生电场和磁场，这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。 4、其他原因 元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常 采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、 放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源开关开关电源电磁干扰（电源电磁干扰（EMI）的产生机理）的产生机理开关电源的噪声传递开关电源的噪声传递的主要方式的主要方式为为 （1 1）传导传导耦合耦合 （2 2

13、）公共阻抗耦合）公共阻抗耦合 （3 3）辐射辐射耦合耦合根据根据电电磁干扰的磁干扰的传传播播途径途径开关电源开关电源中的中的电电磁干扰可以分磁干扰可以分为为辐射辐射干扰干扰和和传导传导干扰干扰兩兩 种干扰可以相互种干扰可以相互转换。转换。传导传导干扰干扰可以分可以分为为共模共模干扰干扰( (又称“又称“接地接地干扰”干扰”) )和和差模差模干扰干扰( (又称“又称“串模串模干扰”干扰”) )。由于寄生由于寄生（电感、电容）参数（电感、电容）参数的存在以及的存在以及开关电源开关电源中中开关开关器件的器件的高频开通高频开通和和关断关断使使得得开关电源开关电源在其在其输入输入端（即交流端（即交流电电

14、网网侧侧）产产生較大的生較大的共模干扰共模干扰和和差模干扰差模干扰。共模（接地）干扰共模（接地）干扰由非连续电流经过由非连续电流经过MOSFETMOSFET和变压器的寄生电容、线路板布线杂和变压器的寄生电容、线路板布线杂散电容时产生。散电容时产生。差模（串模）干扰差模（串模）干扰由非连续电流作用在滤波大电容（由非连续电流作用在滤波大电容（BulkBulk）上的寄生电感时产生。）上的寄生电感时产生。传导传导EMI经经由由介质进行传导介质进行传导在在电电路上路上经常经常是加是加滤波滤波器的方式抑制器的方式抑制杂波。杂波。但是但是辐辐射射EMI不不经经由由介质介质杂波杂波可以可以跨越跨越 EMI而而

15、影响影响其他其他系统，系统，因此其因此其处理处理方式多方式多为为屏蔽屏蔽（shieldingshielding）、接地（接地（groundinggrounding）、滤波、滤波等等。开关电源的开关电源的EMIEMI传播与抑制传播与抑制智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源智能电能表的开关电源1.1.共模电感共模电感共模电感是将正负电源的两组导线成对反向缠绕（匝数相同、绕向相反）共模电感是将正负电源的两组导线成对反向缠绕（匝数相同、绕向相反）在同一个铁芯上制成在同一个铁芯上制成。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在

16、同相位绕制的电感线圈中产生反向的相位绕制的电感线圈中产生反向的磁磁场场而相互抵消，此时正常信号电流主要受而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。由于由于差模差模磁磁场场相互抵消相互抵消关系，共模电感关系，共模电感不易飽和不易飽和，因此因此一般选一般选用用初始初始u u值值( (磁通量磁通量) )较较高的高的铁氧体铁氧体作作为铁为铁芯芯。开关电源常用的的开关电源常用的的EMIEMI滤波元件：滤波元件：共模电感