王少俊 李香

摘 要：目前已有智能電能表采用開關(guān)電源，開關(guān)電源存在抗雷擊浪涌能力弱的缺點(diǎn)。本文對(duì)現(xiàn)有智能電能表開關(guān)電源電路加以改進(jìn)，增加一條電壓保護(hù)電路，其響應(yīng)速度快于現(xiàn)有電壓、電流保護(hù)電路，能對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行很好的保護(hù)。

關(guān)鍵詞：智能電能表;開關(guān)電源;雷擊浪涌;保護(hù)電路

中圖分類號(hào)：TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）31-0056-03

Design of a Switching Power Supply Circuit for Intelligent

Energy Meter Against Lightning Surge

WANG Shaojun1 LI Xiang2

（1.Yangzhou Baoer Electronics Co.， Ltd.，Yangzhou Jiangsu 225000;

2.Yangzhou Wantai Electronic Technology Co.， Ltd.，Yangzhou Jiangsu 225000）

Abstract： Switch power supply is used in smart meter， and it has the disadvantage of weak lightning surge resistance. In this paper， the switch power supply circuit of smart meter was improved by adding a voltage protection circuit. Its response speed was faster than the current and voltage protection circuit， which could protect the switch power supply well.

Keywords： smart meter;switching power supply;lightning surge;protection circuit

國(guó)內(nèi)智能電能表多采用線性電源，即通過工頻變壓器將交流50Hz/220V電壓轉(zhuǎn)換為50Hz交流低電壓，再經(jīng)半波整流濾波轉(zhuǎn)換為直流12V和5V等。其優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、輸出電壓紋波小、可靠性高，缺點(diǎn)是體積大、輸入電壓范圍窄、電壓轉(zhuǎn)換效率低[1]。而歐美國(guó)家多采用高性能開關(guān)電源，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、輸入電壓范圍寬、電壓轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是控制電路復(fù)雜，輸出電壓紋波大，抗高頻干擾、雷擊浪涌能力弱，故障率較高[2]。

隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已有部分智能電能表采用開關(guān)電源，但其抗高頻干擾、雷擊浪涌能力弱的缺點(diǎn)使得保護(hù)電路至關(guān)重要。目前，開關(guān)電源采用的電壓、電流檢測(cè)和保護(hù)電路響應(yīng)速度慢，因而雷擊浪涌時(shí)可能來不及反應(yīng)。本文對(duì)現(xiàn)有智能電能表開關(guān)電源電路加以改進(jìn)，增加一條電壓保護(hù)電路，該電壓保護(hù)電路響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于現(xiàn)有電壓、電流保護(hù)電路，能對(duì)開關(guān)電源起到很好的保護(hù)作用。

1 典型的開關(guān)電源電路

電能表開關(guān)電源選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：選用成熟方案，以降低風(fēng)險(xiǎn);選用通用器件，以降低成本。因此，本文采用由集成開關(guān)電源控制器UC3842構(gòu)成的單端反激式開關(guān)電源，其輸出紋波小、穩(wěn)定、體積小、重量輕、效率高。圖1為典型單相智能電能表開關(guān)電源工作電路。

反饋回路包括電流反饋回路和電壓反饋回路。

電流反饋回路多在開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管上串聯(lián)一個(gè)以地為參考的取樣電阻，如圖1所示，電阻R10將變壓器初級(jí)線圈電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，此電壓由控制器UC3842內(nèi)電流檢測(cè)比較器監(jiān)視，并與來自內(nèi)部誤差放大器的輸出電平比較。當(dāng)發(fā)生電流過載時(shí)，調(diào)整控制器UC3842輸出脈沖占空比，進(jìn)行過流保護(hù)。

電壓反饋回路有兩種形式。一種如圖1所示，反饋電壓直接取自反饋繞組N2即VI。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但因非取自輸出端，穩(wěn)壓精度不高，只適用于負(fù)載小且穩(wěn)定的場(chǎng)合。另一種反饋電壓取自電源輸出端，再用光耦和電壓基準(zhǔn)進(jìn)行反饋控制。該方法可提高電源穩(wěn)定性和精度，但對(duì)電能表而言成本較高。電能表電源負(fù)載較小且穩(wěn)定，因此本文采用第一種形式的電壓反饋回路。

典型單相智能電能表開關(guān)電源如圖1所示。220V交流電經(jīng)電源噪聲濾波器濾除電磁干擾后進(jìn)入整流模塊進(jìn)行整流，再經(jīng)電阻R1、電容C1濾波后形成300V左右的直流電壓。該電壓經(jīng)電阻R2、電容C1、電容C2至控制器UC3842的7腳為其提供電源[VI]，[VI]大于16V時(shí)開始啟動(dòng)?？刂破鱑C3842正常工作后，6腳Vo輸出的控制脈沖驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q進(jìn)行通斷，進(jìn)而控制脈沖變壓器Tr初級(jí)線圈N1的通電。電阻R6、電容C5和電容C6組成的頻率產(chǎn)生電路控制變壓器脈沖頻率。場(chǎng)效應(yīng)管Q導(dǎo)通時(shí)，繞組N1的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，繞組N3和繞組N4中感應(yīng)電壓為上負(fù)下正，二極管D4和二極管D5截止，繞組N1中儲(chǔ)存能量。場(chǎng)效應(yīng)管Q截止時(shí)，繞組N1中存儲(chǔ)的能量釋放。一方面經(jīng)繞組N3、二極管D4和電容C10濾波后輸出5V電源，經(jīng)繞組N4、二極管D5和電容C11濾波后輸出12V電源;另一方面經(jīng)繞組N2、二極管D1、電容C2、電容C3形成的整流電壓VI對(duì)控制器UC3842進(jìn)行供電。電阻R10的電壓經(jīng)電阻R9和電容C7組成的低通濾波電路送給控制器UC3842的電流檢測(cè)端3腳，進(jìn)而對(duì)輸出控制脈沖進(jìn)行調(diào)整。3腳電壓高于1V時(shí)，振蕩器停振，保護(hù)功率管不因過流而損壞。電壓VI一方面為控制器UC3842提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)電阻R3、電阻R4分壓后加到控制器UC3842誤差放大器的反相輸入端2腳，為其提供負(fù)反饋電壓，電壓越高驅(qū)動(dòng)脈沖占空比越小，以穩(wěn)定開關(guān)電源輸出電壓。

2 改進(jìn)的開關(guān)電源電路

輸入電壓和負(fù)載電流變化較大時(shí)，上述開關(guān)電源電路能自動(dòng)限制負(fù)載電流，補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單。但雷擊浪涌脈沖瞬時(shí)電壓可達(dá)幾千伏，瞬時(shí)電流可達(dá)幾百甚至幾千安，可能來不及保護(hù)。

圖1中，場(chǎng)效應(yīng)管Q采用IRFPG40，漏極D和源極S之間最大導(dǎo)通電流為4.3A，導(dǎo)通電阻為3.5Ω，最大耐壓為1 000V。雷擊浪涌發(fā)生時(shí)，若跨接在220V輸入端的壓敏電阻來不及反應(yīng)，浪涌電壓將經(jīng)整流模塊進(jìn)入電源回路，進(jìn)而在繞組N1和場(chǎng)效應(yīng)管Q上產(chǎn)生高壓和大電流。若電壓和電流保護(hù)電路反應(yīng)慢，場(chǎng)效應(yīng)管Q不能及時(shí)關(guān)斷，將燒毀場(chǎng)效應(yīng)管Q乃至變壓器。一旦場(chǎng)效應(yīng)管Q的漏極D和柵極G被燒成短路，高電壓將從柵極G加到控制器UC3842的6腳使其燒毀。

圖2為控制器UC3842芯片內(nèi)部及主控電路結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，現(xiàn)有電流檢測(cè)回路的采樣電壓首先經(jīng)過由電阻R9和電容C7組成的低通濾波電路進(jìn)入3腳，該濾波電路雖使高頻電壓幅度大大降低，但也產(chǎn)生了延遲。如圖2所示，采樣電壓進(jìn)入3腳后送至電流檢測(cè)比較器，與誤差放大器輸入比較后輸出，比較器翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定延遲。比較器輸出再經(jīng)鎖存器、或非門、推挽驅(qū)動(dòng)電路后送至6腳，又產(chǎn)生一定延遲。場(chǎng)效應(yīng)管Q由導(dǎo)通切換至關(guān)斷又產(chǎn)生一定延遲。因此，從電流檢測(cè)開始到場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷有幾百納秒乃至幾微秒以上的延遲時(shí)間。

如圖1所示，正常工作時(shí)反饋電壓VI由繞組N2中存儲(chǔ)的電能提供。繞組N1導(dǎo)通時(shí)，繞組N2釋放電能，因此本周期內(nèi)繞組N1的儲(chǔ)能只有到繞組N1關(guān)斷時(shí)才能傳遞給繞組N2，產(chǎn)生一定延遲。繞組N2產(chǎn)生的電壓經(jīng)二極管D1整流后還需經(jīng)電容C2、電容C3、電阻R3、電阻R4濾波后才能送至控制器UC3842的2腳，再次產(chǎn)生延遲。考慮到軟啟動(dòng)和正常工作時(shí)的整流濾波，電容C2達(dá)到微法級(jí)，因此延遲時(shí)間較長(zhǎng)。如圖2所示，反饋電壓經(jīng)2腳送入控制器UC3842的誤差放大器，與2.5V基準(zhǔn)比較放大后輸出到電流檢測(cè)比較器的反相端，再次產(chǎn)生延遲。其后延遲與電流檢測(cè)的時(shí)間相同。

本文對(duì)現(xiàn)有開關(guān)電源電路（圖1中標(biāo)識(shí)A處）進(jìn)行了改進(jìn)。具體方法如下：控制器UC3842的脈沖輸出不直接給場(chǎng)效應(yīng)管Q的柵極G，而是增加了如圖3所示的脈沖輸出和雷擊浪涌電壓保護(hù)電路I和圖4所示的脈沖輸出和雷擊浪涌電壓保護(hù)電路Ⅱ，其所需的輔助工作電源由圖5所示的電路提供。

圖5中，電源輸入為VI。正常工作時(shí)[VI]應(yīng)大于啟動(dòng)電壓16V，一般設(shè)計(jì)為18V左右。穩(wěn)壓器78L05正常工作時(shí)，輸入電壓最大為20V，輸出電流最大為100mA。圖3和圖4中，比較器U2和比較器U3采用超快速低功耗單比較器TL3116，電平轉(zhuǎn)換時(shí)間為10ns。TL3116供電電壓為±5V，所需提供電流的典型值僅為12.7mA。場(chǎng)效應(yīng)管IRFPG40為電壓控制型器件，所需輸入電流極小，為100nA，柵極G和源極S的壓差為2～4V時(shí)即可使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。主回路電壓為+300V電壓與變壓器初級(jí)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之差施加在繞組N1內(nèi)阻、漏極D與柵極S之間的導(dǎo)通電阻及電阻R10組成的回路中。電阻R10取值很小，一般為0.22Ω左右，而繞組N1及漏極D與源極S之間的導(dǎo)通電阻一般為幾歐姆，因此電阻R10上電壓很小。即使在大電流時(shí)，因控制器UC3842內(nèi)部的電流檢測(cè)比較器反相端接入了1.0V的穩(wěn)壓二極管，電阻R10上的電壓不會(huì)超過1V。因此，該5V電源完全滿足改進(jìn)電路的工作要求。圖1中，A點(diǎn)電路斷開后，控制器UC3842的6腳控制脈沖輸出將通過電阻R7和電阻R8形成回路。對(duì)電阻R7和電阻R8的阻值進(jìn)行調(diào)整（本文中分別取3.9kΩ和1kΩ，見圖3），以確?？刂破鱑C3842內(nèi)部的推挽電路正常工作。6腳的輸出脈沖電壓VO1經(jīng)電阻R7和電阻R8分壓后送至比較器U3的同相端2。圖1中V1為18V左右，因此圖3中輸出脈沖高電平經(jīng)分壓后得到V4為3.7V左右。5V電源經(jīng)阻值為10kΩ的電阻R20和電阻R21分壓后得到2.5V的比較電平送至比較器U3的反相端3。這樣，高電平為18V的輸出脈沖VO1就轉(zhuǎn)換為高電平為5V的輸出脈沖VO，送至圖4保護(hù)電路。圖4中，控制器UC3842的6腳輸出脈沖經(jīng)電阻R13、電阻R14、電阻R15和電容C14組成的電壓映射電路后送給比較器U2同相端2。電阻R13、電阻R14阻值為200kΩ，電阻R15阻值為68kΩ，均采用1%的精密電阻?？刂泼}沖為低電平時(shí)，V2為1V;控制脈沖為高電平時(shí)，V2為4V。+300V經(jīng)電阻R16、電阻R17和電容C15分壓濾波后送給比較器U2反相端3。電阻R16和電阻R17阻值分別為1MΩ和4.02 kΩ，均采用1%的精密電阻。V1為300V時(shí)，V3為1.2V;V1為1 000V時(shí)，V3為4V。電阻R18為比較器輸出上拉電阻，電阻R19為限流電阻。發(fā)生雷擊浪涌時(shí)比較器將因V3電壓過大而損壞，因此在電容C15兩端并接一只4.3V穩(wěn)壓二極管D6。

圖4中，R17/（R16+R17）很小，因此電網(wǎng)正常波動(dòng)時(shí)V3的電壓維持在1.2V左右?？刂泼}沖為低電平時(shí)V2的電壓為1V，確保比較器U2輸出為低電平。雷擊浪涌發(fā)生時(shí)，V3被穩(wěn)壓二極D6穩(wěn)壓在4.3V?？刂泼}沖為高電平時(shí)，V2的電壓為4V，比較器U2輸出為低電平。比較器TL3116的電平轉(zhuǎn)換時(shí)間為10ns，輸出脈沖將被快速封鎖，進(jìn)而關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行保護(hù)，而其產(chǎn)生的延遲對(duì)電源正常工作無影響。發(fā)生雷擊浪涌時(shí)，該電路響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于現(xiàn)有電壓和電流保護(hù)回路，且只要雷擊浪涌電壓未去除，場(chǎng)效應(yīng)管將始終被關(guān)斷，起到很好的保護(hù)作用。

3 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有智能電能表開關(guān)電源電路增加一條電壓保護(hù)電路，其響應(yīng)速度快于現(xiàn)有電壓、電流保護(hù)電路，能對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行很好的保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

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