三相四线制数字电表专用电源的设计和实现

Big-bit半导体器件应用网三相四线制数字电表专用电源的设计和实现【大比特导读】介绍了一款基于TOP224Y芯片的lOW三相四线制电表专用电源模块的原理电路、高频变压器的设计。其输入交流电压使用范围为85-265Vrms，提供六路输出：三路+5.0V、+15V、一15V和+24V。该电源体积小、重量轻，具有较高的可靠性和电磁兼容性能，可广泛应用于三相、单相智能电表中。摘要：介绍了一款基于TOP224Y芯片的lOW三相四线制电表专用电源模块的原理电路、高频变压器的设计。其输入交流电压使用范围为85-265Vrms，提供六路输出：三路+5.0V、+15V、一15V和+24V。该电源体积小、重量轻，具有较高的可靠性和电磁兼容性能，可广泛应用于三相、单相智能电表中。随着脉宽调制技术的发展与完善，开关稳压电源以其极高的性价比在空问技术、计算机、通信、家电等领域得到了广泛的应用。美国POWERINTEGRATION公司的第二代开关电源芯片——TOPswitch一Ⅱ系列芯片，与第一代产品相比，不仅性能上进一步改进，而且输出功率明显提高。其外围元件少、开发周期短、成本低、系统可靠性高，是目前设计250w以下的高效率、多功能单端反激式开关电源的最佳选择。数字电表是开关电源广泛应用的场合之一。随着社会用电量迅速增长和用户对电能质量要求的不断提高，三相智能电表的需求量也迅速增长。采用电子计量原理的三相智能电表具有高精度、多参数测量、谐波功率电能计量等优势。现有的电表专用模块中普遍存在输出路数较少、隔离性较差等缺陷。本文介绍的三项四线制电表专用电源更适合应用于单相(220V)、三相(380V)数字智能电表中，也可作为电能质量监测装置的电源模块。1性能特点与技术指标1.1智能电表电源的要求为了减少外围接口，智能电表大多以测量电压作为电表电源的进线电压，这就要求智能电表具有足够宽的电压输入范围(110v~25v～220v~45v)，在智能电表的所有功能模块中，从MCU处理器、A/D采样芯片，到不同偏压的数字电路、周边设备以及输入/输出电路，都各有特定的电源电压要求。本电源模块各输出分别设计为：(1)主路5V供给MCU及相关数字电路。(2)辅路5V一路供给键盘、显示及其驱动电路，另外一路供给A/D和MCU的模拟电源。(3)土15V供运算放大器芯片。(4)24V为外接继电器提供电源。Big-bit半导体器件应用网No.2智能电表因长期在较恶劣的工作环境下工作，除了要求有较高的可靠性外，对电源的效率及散热也有较高的要求。另外，电表电源还需要一定的电磁兼容性能，例如抗浪涌干扰以及抗射频电磁场辐射等。对于智能电表电源，由于其输出功率较高、输出路数多、线性稳压电源的效率低、适应电网电压范围窄，稳压性能差、笨重等，智能电表趋向于采用技术成熟的开关电源。1.2电源模块技术指标(1)三相四线制输入。当输入为单相时也可工作。电源进线端可直接接电表的电压测量端获取电能，输入电压范围每相85V～265V(AC)或80V～375V(DC)。(2)采用TOP224Y设计的具有六路输出的单端反激式电源。最大输出功率约lOW，六路输出分别是：+5V/1A、两路+5V/0.2A、+15V/0.1A、一15V/0.1A、+24V/50mA。(3)辅路输出设计具有低压差三端稳压芯片，使得辅路的输出电压不受主路负载变化的影响。(4)具有断电提示P0WERG00D信号。当输入母线电压骤降(如发生三相短路或操作分闸)在电源停止输出之前产生下降沿时，通知电表芯片及时存储有用的数据。(5)电路简单、稳压性好、可靠性高，配有光耦和TL431的反馈回路使稳压性能显著提高。输入端具有抗启动过流、浪涌电压的能力，同时具有过热保护、短路自动重启、安全电流限制功能。(6)具有良好的抗干扰特性。2电路设计三相四线制电表专用电源模块的电路图如图1所示。根据六路输出的电流及电压估算总功率约为10W.TOP224推荐功率为40W。采用功率容量较大的TOP224不仅可以提高电源的效率和电源模块的过载能力，更有利于提高电源模块的可靠性。由于TOPStch—II芯片集成度高，设计工作主要针对外围电路进行。外围电路可以分为输入整流滤波电路、箝位保护电路、高频变压器、输出整流滤波电路、反馈电路、软启动电路及电磁兼容设计七部分。2.1输入整流滤波电路的确定整流滤波电路包括三相整流、EMI滤波和直流滤波三部分。三相滤波采用三相半波整流，快恢复整流管选用耐压值600V的MUR160，EMI滤波采用直流EMI滤波器。直流滤波电容由次级输出的总功率决定，设计为661xF，若取整流二极管导通时间典型值t=3ms，由下式可导输入电容设计耐压值：Big-bit半导体器件应用网No.3感量LP、磁心气隙宽度、初级匝数ⅣD、次级匝数、反馈绕组匝数ⅣF、初级裸导线直径D、初级导线外径DIM、次级裸导线直径D和次级裸导线外径砜。上述参数除了L。可以通过计算得出，其他均要进行迭代，直到满足磁通密度B=0.2～0.3T、磁芯气隙宽度80.05mm、初级绕组电流密度.，=(4～10)A/mm的条件为止[21。(1)高频变压器骨架采用EFD25锌锰铁氧体磁芯，其参数：磁芯有效截面积5J=0.58cm、磁路有效长度2=57mm、磁芯不留间隙时的等效电感AL=1800nH/112、骨架宽度b=16.4mm。(2)确定初级电路的有关参数在计算初级电感量之前，先确定初级电路的有关参数Big-bit半导体器件应用网No.4Big-bit半导体器件应用网No.5验证.，是否满足.，=(4～10)A/mm。如果10A/mm，则选择较粗的导线或多股绕制;否则可选择较细的导线。实际当中结合POWERINTEGRATION的单片开关电源设计软件PIXLsDesigner电子表格，综合上述的计算结果来确定变压器的参数。其设计结果如下：初级绕组用‘p0.21mm漆包线绕两层50+50匝，次级主回路绕组用‘p0.20mm漆包线绕4层4匝，两路5V各用‘P0.14mm漆包线绕4层5匝，±15V用‘p0.14mm漆包线绕2层14匝，24V输出用‘p0.25mm漆包线绕1层18匝，反馈绕组用‘p0.14mm漆包线绕9匝。初级电感量9571xH。2.4输出整流滤波电路的确定整流管必须选择恢复速度高的肖特基整流管，具体的选择是依据各路的输出电压水平和输出电流容量，整流管额定工作电流至少为该支路最大输出电流的三倍以上，管子的反向耐压也需要在最低耐压值的基础上留够裕量。具体方案如表1所示。表1输出整流管的选择Big-bit半导体器件应用网No.6主路采用叮T型滤波电路，电容取2201xF/35V，电感为5.6txH，两个辅路5V，±15V支路采用LM29系列低压差三端稳压器，就可以有效地减小主路负载变化时对辅路的影响。24V支路采用叮T型滤波电路并串连磁珠防止外界的高频干扰。2.5反馈电路的设计精密光耦反馈电路由PC817和TIA31组成，输出电压经过尺和尺5取样后，与TIA31内部基准电压2.5V进行比较，产生误差电压，再通过PC817去改变TOP224Y的输出占空比用TL431来构成外部误差放大器可以改善调节性能，提高输出电压的稳定性。TIA31的偏置电流仅为lmA，这有助于降低空载损耗。2.6软启动电路的设计由于电源为多路输出，变压器所接电容较多，启动时充电电流较大，因此必须设计软启动环节限制开启电源时的占空比.使输出电压平稳地升高。为此在TL431正负极两端并联一只47tzF的电解电容c5作为软启动电容，可以获得大于2ms的软启动时间，对TOP224起到了保护作用。断电时C通过尺进行放电。2.7电磁兼容及抑制瞬态干扰的设计电磁兼容设计主要考虑抑制电源发出的差模干扰和共模干扰，并且减小外界引入的高频干扰。本电源模块采用直流EMI滤波器，其中的滤波电容(X电容)可以有效抑制由初级电流基波与谐波所产生的差模泄漏电流，其中的模扼流圈可以抑制由初级绕组接TOP芯片D端的高压开关波形所产生的共模泄漏电流。图1中，具有负温度系数的热敏电阻尺可以限制上电时电流的突然增大，避免滤波电容受到大电流的冲击。尺。为压敏电阻，当电网上电压超过275V时，尺。被击穿，能起到Big-bit半导体器件应用网No.7箝位保护的作用。C：用来滤除来自电网的高频电压干扰，C为安全电容，用于滤除由高频变压器初、次级耦合电容引起的干扰。·3电源性能测试在实验室完成了对该电源模块的制作和实验，在输入220Vrms电源满载的情况下，电源效率不低于75%。图2为该电源模块实物图。本模块使用的PCB板的尺寸为标准PC104板(90mmx96mm)。3.1电压调整率在各路满载情况下测量电压调整率，其中，主路5V电压调整率小于1%。除24V支路以外，由于其他辅路中有三端稳压器稳压，其电压调整率均小于0.5%，达到精密电源的要求3.2负载调整率在其余支路均满载时测量每路负载调整率。主路5V负载调整率小于1.5%。除24V支路以外，由于其他辅路中有三端稳压器稳压，其负载调整率均小于0.5%。3.3纹波电压输出各电压波形均在电源模块满载时测量。由于三端稳压的存在，使得辅路5V和±15V输出电压的纹波明显减小。基于TOP224Y芯片的多路输出电表专用电源模块与传统的开关电源相比，具有外围元件少、可靠性高、针对性强、性价比高的特点。该电源在一款智能电表上得到了应用，实际工作中性能稳定可靠。随着智能电表的普及，这种电表专用电源模块将会有很好的应用前景。参考文献1.黄海宏，王海欣.基于TOPSwitchⅡ的开关电源设计[J】.现代电子技术，2006;(4)：16～182.沙占友.新型单片开关电源设计与应用技术[M】.北京：电子工业出版社，20043.李跃忠，李昌禧.多功能智能调节仪开关电源设计fJ1.华东理工学院学报，20o5;(3)：278—2814.谢哗源.基于TOPSwitch的电磁兼容性设计[J】.电源技术应用，20o5;(8)：32～36