电源电路模块

1第1章电源电路模块第1节变压器电源电路（MCU+RS485）1.1电路名称变压器电源电路（MCU+RS485）。1.2电路概述变压器输出电源电路，是将市电利用变压器的降压以及后续的整流稳压输出低压直流电的功能电源电路。本文针对公司静止式电能表、预付费电能表等产品中，普遍使用的输出提供MCU计量和RS485通信的两路负载需要的变压器电源电路作介绍。火线Line，缩写L零线Neutral，缩写N地线Earthline，缩写E保护接地线Protectearthingline，缩写PE1.3电路图及原理分析1.4MYN23-751K1.5压敏电阻：主要用途：防雷，过压保护。如电力变压器在进户端放入氧化锌避雷器可以有效防雷，电子设备在电网电源输入端放入压敏电阻，一但电网电压升高压敏电阻会不可恢复击穿短路同时保险丝也将断开，从而有效的放止过电压进入线路板。在空调线线路板应用压敏电阻最为多。图1-1230V变压器单相提供MCU+RS485电源电路21.5.1变压器电源电路（MCU+RS485）一般原理如图1-1所示，变压器电源电路基本功能是将电网中的交流电，通过变压器的电磁转换从副极线圈输出低压交流电。如图（编号6和7）的副边低压交流电经过整流桥堆的整流操作输出一个脉动电压，这个脉动电压通过（如C1类）的电解电容器的滤波，在DV1稳压二极管的钳位作用下转换成了可以用于LDO等低压稳压器件操作的直流电。另一组（编号9、10）副边低压交流电通过二极管的半波整流操作输出一个脉动电压，之后通过C3的滤波和DV2的稳压二极管钳位作用输出一个可用于低压稳压器件操作的直流电。然而，如C1电解电容器在整个电能表的供电模块中还扮演着掉电瞬间数据存储提供能量的重要角色，所以选取的时候需谨慎，详细请看1.3.2.5。图1-1中红色虚框中的DV3稳压二极管是在客户需要380V过压的时候加上（或将DV1换成额定功率2W的稳压二极管），没有过压要求的可以去掉，详见1.3.2.4。以下图1-2至图1-5是不同输入电压段的单相和三相变压器电源电路供MCU+RS485的原理图：注意：三相四线电能表需要过接地故障实验，变压器要求过1.9倍输入电压4小时不损坏的测试。图1-2110V变压器单相提供MCU+RS485电源电路变压器的型号不同3图1-363.5V变压器三相相提供MCU+RS485电源电路4图1-4110V变压器三相提供MCU+RS485电源电路图1-5230V变压器三相提供MCU+RS485电源电路1.5.2主要元器件的选取1.5.2.1压敏电阻（如图1-1电路中MOV1）的选取：压敏电阻是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体非线性电阻元件、损耗型元器件。压敏电阻对电压较敏感，当电压达到一定数值时，电阻迅速导通。具有良好的非线特性、通流量大、残压水平低、动作快和无续流等特点。压敏电阻器的主要参数有标称电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。压敏电压：所谓压敏电压，即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值。最大限制电压：指压敏电阻器两端能承受的最高电压值。通流容量：通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。为了延长器件的使用寿命，氧化锌压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些好。压敏电阻的计算方法：针对三相四线制电能表3*240/416VVmax1.9Vn*1.1=1.9*240*1.1=501.6V。（Vmax为电能表最大输入电压，选取压敏电阻的压敏电压必须Vmax；1.9倍是换算后的接地故障电压倍数；Vn电能表额定电压；1.1压敏电阻10%差异）5同理3*57.7/100VVmax1.9Vn*1.1=1.9*57.7*1.1=120.6V。针对3*100V（三相三线电能表，不需要接地故障测试）Vmax1.2Vn*1.1=1.2*100*1.1=132V。同理，单相因为不需要接地故障，一般过压1.2倍即可，Vmax1.2Vn*1.1=1.2*240*1.1=316.8V。但许多客户要求240V需要416V过压的，Vmax416*1.1=457.6V。表1-1压敏电阻工作电流压敏型号MYN23-471KMYN23-681KMYN23-751KMYN23-821K最大连续工作电压（交流有效值）300V420V460V510V针对通流量：符合公司浪涌要求，另外尽量采用M23封装。因此根据要求：3*240/416V选择MYN23-821K，3*57.7/100V选择MYN23-471K，3*100V选择MYN23-471K，单相表（220V）选用MYN23-681K，如果有过压要求（如220V过压380V，240V过压416V）的使用MYN23-751K。具体情况根据上述公式计算。1.5.2.2变压器（如图1-1电路中T1）的选取变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器，是电能传递或作为信号传输的重要元件，主要参数如下：电压比：变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级，在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势，当N2N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器；当N2N1时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器。初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系：n=U2/U1=N2/N1（式中n称为电压比或圈数比，U1为初级线圈输入电压，U2为次级线圈输出电压。）当n1时，则N1N2，U1U2，该变压器为降压变压器，反之则为升压变压器，另有电流之比I1/I2=N2/N1，电功率P1=P2。注意上面的式子只在理想变压器只有一个线圈时成立，当有两个副线圈P1=P2+P3，U1/N1=U2/N2=U3/N3，电流则须利用电功率的关系式去求，有多个时依此推类。变压器的效率：即在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值。公式：η=（P2/P1）x100%（式中η为变压器的效率；P1为输入功率，P2为输出功率。）当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时，变压器的转换效率为100%，变压器将不产生任何损耗，但实际上这种变压器是没有的。变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗主要有铜损和铁损：铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗。当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗。由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。变压器的铁损包括两个方面：一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗。另一是涡流损耗，当变压6器工作时，铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流。涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率比值就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。变压器的功率与变压器铁心磁通和施加的电压有关：在电流中励磁电流不会随着负载的增加而增加。虽然负载增加铁心不会饱和，将使线圈的电阻损耗增加，超过额定容量由于线圈产生的热量不能及时的散出，线圈会损坏，假如用的线圈是由超导材料组成，电流增大不会引起发热，但变压器内部还有漏磁引起的阻抗，但电流增大，输出电压会下降，电流越大，输出电压越低，所以变压器输出功率不可能是无限的。假如变压器没有阻抗，那么当变压器流过电流时会产生特别大电动力，很容易使变压器线圈损坏，虽然变压器功率无限但不能用。随着超导材料和铁心材料的发展，相同体积或重量的变压器输出功率会增大，但不是无限大。以下变压器骨架实物图：图1-6变压器骨架实物图1.5.2.3整流桥堆（如图1-1电路中AB1）的选取整流桥堆在电源电路中起到整流的作用，即将交流电整流成直流电。在选取整流桥堆的时候主要参考以下两个参数：最高电压：即整流桥两端最大承受电压，超过这个电压整流桥可能反向击穿。最大电流：即整流桥最大能通过的承载电流，超过这个电流整流桥可能会被烧毁。所以在选取整流桥的时候，使整流桥的最高电压后续电路的最大电压、最大电流后续电路的最大电流，本电路由于输出功率只有1W左右，所以选用B6S整流桥即最大电压、电流为600V、0.5A。1.5.2.4稳压二极管（如图1-1电路中DV1）的选取稳压二极管在变压器电源中起到钳位电压的作用。它一般工作在两种状态：稳压状态（即反向击穿状态），当稳压二极管稳压端电压已经超过稳压二极管稳压值，此时稳压二极管将承受多余压降，二极管反向导通。另一个状态是稳压端电压低于它的稳压值，稳压二极管不工作，此时也存在很小的电流通过它流向“地”。因而在选取稳压二极管的时候需要考虑两个指标：稳定电压值：指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于变压器电源后极需要接入DC-DC或者LDO电路，所以要求稳压值不能高于后面电路的最大输入电压。额定功耗：由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积。这个参数决定了稳压二极管在稳压状态下能够承受能力。例：20V/1W的稳压二极管在稳压状态下最大能流过50mA的电流，超过这个值极可能损坏管子。因而在功耗不能满足要求的情况下，建议使用额7定功耗大的，暂时找不到大功率的管子可考虑多个同型号管子并联的方式（存在一定风险，不能保证多个稳压管流过的电流平均）。所以在选取稳压二极管的时候需要测试电路在稳压管工作状态下最大流经稳压二极管的电流，则稳压二极管功率必须满足以下条件：PIMAX*Vr。P为稳压二极管功率，IMAX为稳压管工作状态下最大流经稳压二极管的电流，Vr为稳压二极管的稳压值。本文所示电路原理图中选用的是20V/1W的稳压二极管。1.5.2.5铝电解电容器（如图1-1电路中的C1）的选取首先要明确一点，铝电解电容器一定会坏，只是时间问题。影响电容寿命的原因有很多，过电压、逆电压、高温、急速充放电等等，正常使用的情况下，最大的影响就是温度，因为温度越高电解液的挥发损耗越快。需要注意的是这里的温度不是指环境或表面温度，是指铝箔工作温度。厂商通常会将电容寿命和测试温度标注在电容本体。因电容的工作温度每增高10℃寿命减半，所以不要以为2000小时寿命的铝电解电容就比1000小时的好，要注意确认寿命的测试温度。每个厂商都有温度和寿命的计算公式，在设计电容时要参照实际数据进行计算。需要了解的是要提高铝电解电容的寿命，第一要降低工作温度，在PCB上远离热源，第二考虑使用最高工作温度高的电容，当然价格也会高一些。铝电解电容器在变压器电源电路中一般起到两个作用：其一是滤波脉动电压，即利用电容器充放电原理，平滑电压波形。如下图所示：图1-7平滑电压波形虚线是脉动电压波形，实线是经C1滤波后的波形。再者是针对后面SOC系统提供掉电延时数据储存等操作所需要的能量。鉴于以上作用，在电解电容器选取时要考虑以下两个参数：耐压值：由加给电容两端的电压决定，比理论上能施加的最大电压的最大波峰点的值一般大30%左右就可以。结合公司实际应用情况，本电路建议使用25V耐压的电解电容。容值：主要取决于后续电路中SOC系统在掉电瞬时存数据需要的延时时间。可根据如下公式计算时间或容值：t=RC*Ln[（V1-V0）/（V1-Vt）]t是放电时间，R是与电容并联的电阻（即电容器后续电路的等效电阻），C为电容器的容值，V0为电容上的初始电压值，V1为电容最终可放到的电压值，Vt为t时刻电容上的电压值。1.5.3PCB布板8图1-8变压器电源输出电路PCB布板9图1-9三相表变压器