采用LM5017的智能电表设计方案

时间:2022-03-16作者:佚名

近年来,中国国家电网智能化改造非常迅猛。2013 年,中国国家电网公司推出新一代的智能电能表系列标准。在新标准中,对电源供电的规格提出新的要求。

1 总体需求

智能电表中的载波通信(PLC)模块供电规格,要求最为严格。新标准要求智能电表通信载波 模块供电 12V Vcc,在满载时的输出电压纹波要小于 1‰(单相智能表的满载电流是 125mA,三相 智能表的满载电流是 400mA)。

图 1 是常用的三相智能表电源架构。从电源架构上看,智能表通过线性交流变压器 整流桥的方 式,将220Vac 降到较低的直流电压。由于智能表需要有抗接地故障抑制能力(按国网标准,要求在2 倍额定电压的情况下,电能表不能损坏),其输入电压范围通常较宽一般需要 0.8 倍~2 倍的额定电压。

图 1. 常用国网 3 相电表电源架构

TI 的 LM5017,是新一代高压同步变换器。其输入电压范围是 7.5V~100V,输出电流可以达到 600mA,非常适合在三相智能表中应用。

2 纹波注入原理

在新国网规范中,LM5017 需要面对的主要问题是:如何实现载波模块供电时的1‰纹波输出。 LM5017 采用恒定导通时间控制(Constant On-time Control, COT),其内部框图如图 2 所示。

LM5017 通过 Ron 来设定固定的导通时间长度Ton。当 FB 的电压低于 1.225V 时,内部的快速比较器触发 COT 控制逻辑模块输出固定的 Ton(控制管,即上管)。Ton 时间结束后,关断控制管,直到FB 的电压再次低于 1.225V。

COT 控制的反馈是采用高速比较器来实现。为了保证高速比较器稳定工作,COT 对 FB PIN 的纹 波会有一定的要求,LM5017 要求 FB PIN 的最小纹波是 25mV。当 LM5017 的输出纹波需要满足国 网对载 波模 块输入纹波<1‰ 的要 求时,其 输出纹波经分压电阻分压后,在FB Pin 的纹波为<1.2mV,远低于 LM5017 的需求,有可能导致 LM5017 工作不稳定。因此,需要外加纹波注入线路,人为在 FB Pin 上产生一定的纹波,使其满足 LM5017 的需求。

图 2. LM5017 内部框图

图 3 是一种最小纹波的纹波注入电路。其通过 SW Pin 与 Vout 的电压在 Rr、Cr 上产生一个三角 波,其通过 Cac 注入 FB Pin。由于其不需要通过输出纹波来满足 FB pin 的 25mV 的要求,该线路理论上可以达到输出零纹波。

图 3. 最小输出纹波的纹波注入电路

增加纹波注入电路之后,COT 模式环路稳定判定条件如下[1]:

在实际电表应用中,整流桥之后的输出存在较大的低频交流纹波,其对输出纹波的影响非常大, 需要选择合适的纹波注入参数。

3 参数设计

三相智能电表的给通信载波模块供电时,DC-DC 变换器的规格如下:

输入电压范围:18~50V(50V 为两倍输入耐压), 220Vac 输入时,输入电压为 21V 左右。输出:12V/400mA,输出电压纹波<12mv。

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