一種智能電能表掉電檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)

高希棟

（北京魯能物業(yè)服務(wù)有限責(zé)任公司福州分公司工程部，福建福州350012）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)社會(huì)用電量的迅速增長(zhǎng)，智能電表的使用量每年均有大幅增長(zhǎng)。如何提升智能電表的計(jì)量準(zhǔn)確性一直是設(shè)計(jì)單位研究的重點(diǎn)，國(guó)網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1354—2013《智能電表功能規(guī)范》的要求如下：智能電表應(yīng)可以記錄掉電的總次數(shù)，以及最近10次掉電發(fā)生及結(jié)束的時(shí)刻。

1 電路功能及典型應(yīng)用說(shuō)明

對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到掉電時(shí)，電能表進(jìn)入掉電模式，并能對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，如電量參數(shù)、時(shí)間參數(shù)等；在上電時(shí)刻能夠?qū)υ须娏康葏?shù)進(jìn)行恢復(fù)，然后繼續(xù)累積。

2 掉電檢測(cè)原理圖

掉電檢測(cè)原理：對(duì)整流后的電壓進(jìn)行分壓，分壓后的信號(hào)輸入到單片機(jī)的AD采樣口，如圖1所示。在正常工作范圍內(nèi)時(shí)，分壓信號(hào)保證電能表正常工作；當(dāng)電壓低于一定值，分壓信號(hào)低于設(shè)定的門(mén)限值時(shí)，進(jìn)入掉電模式，停止其他工作，保存數(shù)據(jù)與參數(shù)，防止數(shù)據(jù)的丟失，并為下次重新上電恢復(fù)工作做準(zhǔn)備[1-2]。

圖1 掉電檢測(cè)原理圖

3 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）輸入電壓：DC 9.6～22.4 V；

（2）掉電閾值：1.5 V，對(duì)應(yīng)交流輸入125 V；

（3）分壓信號(hào)：0～5 V；

（4）正常工作溫度范圍：-30～70℃；

（5）極限工作溫度范圍：-40～85℃；

（6）儲(chǔ)藏溫度范圍：-40～85℃。

4 主要元器件選型及參數(shù)計(jì)算

4.1 芯片輸入阻抗對(duì)分壓信號(hào)的影響

LOW_POWER處的電壓：

查芯片資料可知（R+R40）?R12，則R+R40+R12≈R+R40，，即可以不考慮芯片輸入阻抗對(duì)分壓信號(hào)的影響。

4.2 R12、R58阻值選擇

由于電能表的工作電壓很寬，檢測(cè)電路參數(shù)的選取原則是在電能表的電壓低于60%Un時(shí)產(chǎn)生掉電信號(hào)；在極限工作電壓1.4Un時(shí)，輸入信號(hào)不超過(guò)單片機(jī)I/O檢測(cè)范圍。

考慮到降低功耗，取R58=24 kΩ，R12=4.7 kΩ，R58/R12≈5.1，符合上述條件。此時(shí)，R58的功率P1=14.62 mW，R12的功率P2=2.86mW，可知R58、R12選用0603封裝。

4.3 對(duì)前后級(jí)的影響

掉電發(fā)生時(shí)，整流橋輸出的電壓應(yīng)能保證后級(jí)線性穩(wěn)壓器78L05穩(wěn)定輸出，后級(jí)78L05的穩(wěn)壓范圍是DC 7～20 V，即在掉電發(fā)生時(shí)，整流橋輸出電壓U應(yīng)大于7 V。

判斷掉電閾值為57%Un，則此時(shí)整流橋輸出電壓U=16×0.57=9.12 V，能滿足后級(jí)78L05穩(wěn)定輸出的要求。

4.4 電阻精度及溫漂的影響

在電路中，選用貼片電阻的溫度系數(shù)為100×10-6，在全溫度范圍內(nèi)造成電阻阻值變化為1.25%，選用電阻的精度為1%，綜合考慮精度和溫

漂的影響，貼片電阻全溫度范圍內(nèi)的精度為2.25%；基準(zhǔn)源和A/D采樣精度取為4%；則總誤差范圍為6.25%。

掉電時(shí)整流橋輸出電壓的最小值為：

此時(shí)，整流橋輸出電壓仍能使后級(jí)線性穩(wěn)壓器78L05輸出穩(wěn)定直流電壓（從檢測(cè)到掉電到CPU復(fù)位時(shí)間、執(zhí)行完掉電保存需要的時(shí)間、最大不可中斷執(zhí)行程序的時(shí)間）。

另外，為了增加抗干擾能力，增加了電阻R40和電容C15，串聯(lián)電阻取值范圍為0.1～10 kΩ，電容取值范圍為0.01～0.1 μF[3]。

5 測(cè)試方案

用示波器觀察輸入電壓變化時(shí)電表狀態(tài)、分壓信號(hào)是否滿足設(shè)計(jì)要求。由于電源電路及芯片的離散性，電能表掉電檢測(cè)電壓點(diǎn)可能會(huì)有一點(diǎn)差異，一般在（55%～60%）Un之間就算正常，掉電檢測(cè)方案如表1所示。

表1 掉電檢測(cè)方案

6 其他說(shuō)明

6.1 印制板設(shè)計(jì)要求

PCB布板時(shí)電源線最小線寬應(yīng)大于0.5 mm（20 mil），串聯(lián)電阻R40離芯片越近越好。

6.2 元器件安裝要求

盡可能采用貼裝器件。

7 結(jié)語(yǔ)

本文討論了智能電能表掉電檢測(cè)功能，設(shè)計(jì)出了掉電檢測(cè)原理圖，通過(guò)理論計(jì)算得出了主要元器件的相關(guān)參數(shù)，能夠滿足國(guó)網(wǎng)要求的掉電檢測(cè)功能，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)智能電能表和其他儀器儀表方案的設(shè)計(jì)和選擇具有指導(dǎo)意義。

[1]吳東，張岡，張志鵬.一種實(shí)用的掉電檢測(cè)和保護(hù)電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1999，25（6）：69-70.

[2]崇華明，戴慶元.TMDS接口掉電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī)，2008，29（1）：28-30.

[3]林茂疆，鄢萍，易潤(rùn)忠，等.基于法拉電容的智能儀器儀表掉電保護(hù)方案[J].電源技術(shù)，2010，34（12）：1292-1295.