三相四线制数字电表专用电源的设计和实现

三相四线制数字电表专用电源的和实现 【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POWER INTEGRATION公司的第二代开关电源芯片—— TOPswitch一?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。 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，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TOPS tch— 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: No.3 Big-bit 半导体器件应用网 感量LP、磁心气隙宽度、初级匝数?D、次级匝数 、反馈绕组匝数?F、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8>0.05mm、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 No.5 Big-bit 半导体器件应用网 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POWER INTEGRATION 的单片开关电源设计软件PIXLs Designer电子，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 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 No.7 Big-bit 半导体器件应用网 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TOPSwitch?的开关电源设计[J】.现代电子技术，2006;(4):16,18 2.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，2004 3.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—281 4.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