智能電表電源分析與設計

（中電裝備山東電子有限公司，濟南 250101）

電能表可靠運行的基本保障之一是優質的電源設計。國網標準對電能表在電磁兼容有很高的要求：電能表需要經過靜電放電抗擾度、射頻電磁場抗擾度、快速瞬變脈沖群抗擾度、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度、浪涌抗擾度等試驗后，應能正常工作，存儲的信息無變化[1]。本文針對各模塊電源的特點以及線性電源和開關電源對電能表的影響進行分析，設計合理的電能表供電電源。本設計已經通過實驗驗證后投入批量生產。

1 系統工作電源

單相表主要供電電源是通過對220 V交流電進行變壓、整流、濾波、穩壓后得到。如圖1所示。

圖1 交流電變壓圖Fig.1 Alternating current variable pressure diagram

單相輸入回路L線與N線之間，并聯一只壓敏電阻，規格為S20K821，保護電壓為交流820 V，當電壓改變時壓敏電阻改變其自身的電阻，主要保護由于雷電或者其他情況產生的短時浪涌電壓。N線串聯了一只熱敏電阻，內阻200 Ω～400 Ω。把PTCR串聯在負載電路中，當電路處于正常工作狀態時，通過PTCR的電流不超過額定電流即不超過PTCR的最大不動作電流，PTCR處于常態，阻值較小，不會影響被保護電路的正常工作；當電路出現故障，電流大大超過額定電流，PTCR驟然發熱，呈高阻態，達到保護電路目的；當故障排除后，PTCR自動恢復正常工作 。

變壓器初級線圈經過308 V耐壓4 h不損壞，保證電路的抗壓性。變壓器屏蔽罩材料使用冷軋鋼板，厚度為1.2±0.1 mm，距離變壓器外殼3 mm施加300 mT的恒大磁場，變壓器能正常工作。經變壓器次級輸出一路交流電壓12 VAC。10 VAC是由初級線圈引出，目的是達到計量電路的隔離，滿足國網對電表4000 V耐壓試驗的要求。

2 主電路電源

2.1 線性電源設計

線性電源具有設計和制造簡單、適應性強、可靠性經過大批量驗證、成本較低、抗干擾能力強、紋波電壓小等優點，一度成為智能電表電源設計的主流。缺點是：電壓工作范圍窄、功率密度小、效率低、功率因數低[2]。如圖2所示，經變壓器的次級線圈引腳1，2。橋式整流器SIZB60整流后輸出比較連續，比較穩定的直流電壓，經三端穩壓器后輸出5 V，給整個主系統提供電源。

圖2 線性電源Fig.2 Linear power supply

三端穩壓器一般采用78L05和7805，可以根據負載電流要求更換。三端穩壓器前后多級電容并聯設計是利用電容的充放電得到平滑的電壓，而且不同數量級的電容并聯可以增寬電源去耦頻帶。

2.2 開關電源

DC-DC變換器的功能一般是指直接對一種連續的直流電的轉變，轉換為另外一種穩定電壓或者可調電壓的直流電；而且DC-DC轉換電路有不同的種類，應用廣泛的有以下幾種基本電路：降壓斬波電路（Buck Chopper）、升壓斬波電路（Boost Chopper）、升壓降壓斬波電路（Boost-Buck Chopper）、Cuk斬波電路[3]。電能表為了降低功耗，在電源部分加入DC-DC降壓電路。

在降壓斬波電路中通過控制開關Q的導通與關斷，實現占空比的調整。負載電壓平均值的計算如下：

式中：ton是Q導通時間的長度；toff是Q關斷時間的長度；T=ton+toff是Q開關的一個周期；α＝ton/T，是開關導通占空比，其取值范圍在0～1之間。

由α的取值范圍可知，變換電路供給負載的電壓平均值Uout可以取值為0-Uin。其取值的大小是由導通占空比α的增減來決定的。所以，此電路被稱作降壓斬波電路（Buck Chopper）。

一般情況下，斬波電路的控制方式采用脈沖寬度調制，即開關Q的周期T不變，只改變開關導通時間ton，繼而改變導通占空比α。以此實現平均輸出功率的作用。這樣為保證系統輸出電流的連續，避免因為電流斷續造成的負載平均值被抬高，負載產生反電動勢Um的情況出現。

降壓斬波電路是最基本的一種DC/DC轉換電路。它具有動態性能好、系統電路設計簡單、轉換效率高的優點。但是也存在自身缺點：導通占空比α最大值取1，Uout最大取值為Uin，所以只能用于降壓變換電源應用。但是在電能表電源部分正好可以使用。

3 載波供電

直流斬波器不僅能起調壓的作用（開關電源），同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。從現有的技術條件看，DC-DC電路的應用，還是單相電能表帶載能力提高的必要條件。載波模塊部分有12 V電壓需要，遠程表經整流橋輸出16 V，如圖3所示，16 V電壓經過由Q10，Q11，D3和R121，R122等元件組成的串聯線性穩壓電路穩定輸出為精度較高的12 V的直流電源，供給載波模塊。

圖3 穩壓電路圖Fig.3 Voltage stabilizing circuit diagram

其中Q10為功率調整管，它工作在線性放大區。三極管Q11、可控穩壓基準源D3組成比較放大電路。R121，R122構成電壓反饋采樣電路。該穩壓電路將輸出電壓精準地穩定在12 V。12 V電源經RC濾波電路消除干擾信號得到載波所需電源12 V。

4 系統備用電源

4.1 備用電池供電電路及檢測

智能電表電子電路工作時都需要直流電源提供能量。電池因使用費用高，一般只用于掉電及低電壓情況下時鐘芯片、主芯片、按鍵等電路的供電。

如圖4所示，電池檢測是根據MCU采集到的BATT信號判斷。若檢測電壓不低于設定的欠壓閾值，判斷電池工作正常，否則判斷電池欠壓。

圖4 電池檢測電路Fig.4 Battery detection circuit

常溫下，3.6 V電池工作在1 mA的電路中且電壓由3.67 V下降到3.0 V時的容量為960 mAh，考慮電池的自放電，5年自放電率≤5%。

掉電5年電池的平均功耗：I=（960×95%）mAh/（5×365×24）h=20.8 μA，因此VOO電源電路的功耗不能大于20.8 μA。

為了得到較準確的功耗測試結果，R136，R41，R43的取值至關重要。

按鍵按動時負載電流約為2 mA，所以為UR136= 2 mA×R136=0.002 R136。在對電池電壓影響降到最小，而且為了測量功耗精確方便，R136取值為10 Ω。

時鐘電池加在電阻R41，R43兩端，以此檢測時鐘電池在電表使用過程中的電壓，檢測到的電壓為

式中：R41，R43分別取值 1 MΩ，2 MΩ，R41和 R43>> R136。R0（芯片等效負載阻抗）要遠遠大于R41和R43才能確保R0對U基本無影響，式（2）可以化簡為

電源電壓的精度為±2%，A/D轉換器固有精度為0.3%，外圍電阻精度為±1%，若達到電池電壓檢測5%的檢測精度，R0對電池電壓檢測的影響精度要小于0.7%，（5%-2%-0.3%-［1%-（-1%）］=0.7%），所以R0必須滿足R0≥R43/0.7%≈143R43≈286 MΩ。

4.2 組合切換電源電路

正常供電是由VCC提供，在電表下電或者出現意外拉閘情況下備用電池通過如圖 5所示電源的切換電路給主系統供電，保證電表正常工作。

圖5 電池切換電路Fig.5 Battery switching circuit

系統加電時，CELL-端的電壓低于VCC和VOO兩端的電壓，Q8下端不導通，該備用電源電路不工作；系統掉電后，VOO端的電壓低于CELL-端的電壓，Q8下端導通，該備用電源電路工作，電池為時鐘芯片等電路提供工作電源。所以，Q8的漏電流參數變化直接影響到對電池工作狀態的檢測。CD1設置是為了保證系統上下電或者負載瞬時變化電源供給不足而影響主系統工作，進而影響計量精度而補給瞬時電流，保證系統工作電壓穩定。

按鍵喚醒瞬間電路最大電流為8 mA，電解電容兩端電壓為3.2 V，則等效負載阻抗R=3.2 V/8 mA= 400 Ω。電池出現鈍化造成電壓瞬間大壓差變化的時間約為2 ms，因此電解電容的容值選擇100 μF，則電解電容放電時間t=RC=400 Ω×100 μF=40 ms>> 2 ms，滿足設計要求。

5 結語

電源設計是智能電表電子電路工作的根本保證。直流電源的設計直接影響到電能表工作的穩定性和可靠性。本文針對不同電源需求，以系統穩定性和成本最小化為目的，對電源的各模塊進行了原理分析與設計，提供不同的電源設計思路和方法。經過批量實驗驗證，在保證系統運行穩定的前提下，載波帶載能力加強，備用電源及時有效地解決電表斷電時的時鐘、按鍵等操作以及數據的保存。

[1] 國家電網公司.Q/GDW 1364-2013單相智能電能表技術規范[S].北京：中國電力出版社，2013.

[2] 盧佳慧.開關電源在電子式電能表中的應用[J].機電技術，2011，34（4）：86-88.

[3] 張蘭蕓.TTEP Buck DC-DC變換器研究與應用[D].廣州：中山大學，2006.