解決智能電表電源設(shè)計(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)

智能電表是下一代電表，它們將取代仍在使用幾十年前開發(fā)技術(shù)的現(xiàn)有電表。智能電表使用安全連接網(wǎng)絡(luò)，將能源使用情況通過無線自動(dòng)發(fā)送到公用事業(yè)公司。這意味著客戶將不會(huì)再收到估計(jì)的電表賬單，或讓抄表員進(jìn)入家中讀表。

與傳統(tǒng)IR（紅外線）和IrDA（紅外線數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)）界面相比，智能電表采用了更先進(jìn)的通信界面；它們需要更多內(nèi)存和更強(qiáng)大的微控制器。由于這些功能會(huì)導(dǎo)致能耗增加，因此必須使用開關(guān)型電源（SMPS），而不是電容液滴電源。單相電表的使用范圍為交流100V至500V。三相電表為最低單相交流100V到各相300V。由于必須符合能效標(biāo)準(zhǔn)，特別是符合較低功耗要求，因此為SMPS設(shè)計(jì)人員帶來了更多挑戰(zhàn)，因?yàn)槟悴荒芤驗(yàn)殡姳硎褂玫哪茉聪蚩蛻羰召M(fèi)。另一方面，智能電表使用的能源也不應(yīng)該對公用事業(yè)帶來無法接受的電力要求。

由于受到全球范圍內(nèi)對電表進(jìn)行篡改的影響，公用事業(yè)公司一直面臨著相應(yīng)的收入損失。自推出第一款電子電表以來，就有一些不道德的人試圖通過改動(dòng)電表進(jìn)行偷電。他們?yōu)榇讼氤隽烁鞣N方法。因此電表篡改可能是智能電表電源設(shè)計(jì)人員必須應(yīng)對的最重要的問題。大部分電源使用的都是鐵氧體磁芯變壓器，這種變壓器雖然經(jīng)濟(jì)高效，但很容易受到幾厘米以外稀土磁鐵產(chǎn)生的強(qiáng)磁場的影響。當(dāng)磁鐵靠近變壓器時(shí)，它會(huì)使變壓器趨向飽和并產(chǎn)生過載，損壞開關(guān)（MOSFET/雙極結(jié)型晶體管），從而破壞電源。如今使用的大部分電源控制器都有內(nèi)置的集成過載保護(hù)功能。如果變壓器趨向飽和，快速電流比較器會(huì)關(guān)閉開關(guān)以保護(hù)電源。但缺點(diǎn)是由于計(jì)量塊失去供電，將會(huì)無法計(jì)量。但這是電表最重要的功能。為了在有人試圖篡改時(shí)保持電表的持續(xù)運(yùn)作，一種方法是用磁屏蔽材料對變壓器進(jìn)行屏蔽。但費(fèi)用很昂貴，而且會(huì)增加組裝成本——每個(gè)鐵氧體磁芯變壓器都需要屏蔽。

另一種方法是在變壓器中使用高磁阻壓粉鐵芯來替代鐵氧體磁芯。壓粉鐵芯的磁通密度更高，為1.2-1.4特斯拉，而鐵氧體磁芯僅為0.4-0.5特斯拉。與對變壓器進(jìn)行磁屏蔽相比，它的成本相對較低。但由于磁芯的損失較高，因此會(huì)對供電效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但對于智能電表電源這種缺點(diǎn)可能會(huì)不太明顯。

根據(jù)使用的無線通信協(xié)議，智能電表的峰值功耗會(huì)躍升至1W-10W。

sub 1 GHz的峰值功耗約為0.5W；ZigBee的峰值功耗約為1W，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）的峰值功耗約為10W。

但在大部分使用中，電表通常的耗電量不到1W。在確定電表的總功耗時(shí)，低/輕負(fù)載時(shí)的電源效率是至關(guān)重要的。電源設(shè)計(jì)人員會(huì)將較高的輕載效率作為目標(biāo)。有幾種方法可以提高在低/輕負(fù)載情況下的效率，例如降低開關(guān)控制器的靜態(tài)電流，使用配備高壓啟動(dòng)集成電路的初級側(cè)控制器，或使用包含調(diào)頻和調(diào)幅組合的開關(guān)控制器。降低開關(guān)頻率，當(dāng)負(fù)載降低時(shí)電流會(huì)減少磁芯損失，因此建議使用壓粉鐵芯變壓器。

在智能電表中，必須采用高工作電壓，以防止將單相電表意外連接到兩相（交流500V）或各相為交流300V 的三相電表上。但這種高壓會(huì)增加電力復(fù)雜性、組件數(shù)量和成本。

反激拓?fù)涫侵悄茈姳黼娫丛O(shè)計(jì)中最簡單和最經(jīng)濟(jì)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。在反激拓?fù)渲?，開關(guān)組件必須經(jīng)受1000V的電壓。直流730V（交流300V *√3 *√2）加上直流220V鉗位電壓以及由于緩沖器二極管傳導(dǎo)延遲造成的直流50V過沖。在假設(shè)降低定額值為15%的情況下，開關(guān)組件的額定電壓應(yīng)當(dāng)為1200V。開關(guān)轉(zhuǎn)換器（帶內(nèi)置700V/800V MOSFET）在共源共柵配置中使用另一個(gè)500V MOSFET，以滿足1200V的要求。另一項(xiàng)低成本技術(shù)使用配有開關(guān)控制器的單1200V BJT提供高壓保護(hù)。電壓和電流等級相同的BJT成本價(jià)格僅為MOSFET的三分之一。

因此，最佳SMPS設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是壓粉鐵芯變壓器，通過控制開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)對輕載效率和共源共柵結(jié)構(gòu)，以承受高輸入電壓。

審核編輯：郭婷