采用LM的智能电表设计方案

采用LM5017的智能电表设计方案文章来源：半导体器件应用网 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 7.5V100V，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：1850V(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L/DCR 时，注入的纹波 小于电感 DCR 产生的纹波。反之，当 Cr*RrL/DCR 时，注入纹波大于 DCR 产生的纹波。电感 DCR 产生的纹波，可以由式 6 得到： 需要注入最小纹波为 25mV，则 需要满足 COT 模式，环路稳定的判据： 则 Cr 选 3300pF，Rr137kohm。此处，Rr 实际选择为 100kohm。3.4 Cac 选择Cac 是为了除去 Cr 上的直流电平。从实验上看，Cac 不能太大，Cac 过大，输出电压的线性调整 率会变差。同时，当输入电压有低频波动时，输出电压上也会产生类似的低频波动，导致输出电压 纹波过大。根据 COT 模式，环路稳定的判据，可得： 因此，Cac 选择为 470pF。4 实验验证实验线路是按图 4 的参数，在 LM5017 的 EVM 板进行修改。 在实际电表应用中，整流桥之后的输出电压存在低频交流纹波。恶劣情况下，DC-DC 变换器的输入电压低频交流纹波峰-峰值可能达到 0.8V 左右。在实验中我们采用直流电源的 VRAMP 功能，在直流电平上产生一个交流三角波，来模拟实际电表中出现的情况。 图 4. LM5017 原理图从实验上看，Cac(C3)与 Rr(R1)值的大小，对输出低频交流纹波有较大的影响。Cac 越大时，输 出低频纹波越大。Rr 值越小，输出低频纹波越大。图 5图 8 的测试条件为：输入电压 21V(交流分量的峰峰值为 0.8V)，输出为 12V400mA。如图 5、图 6 所示，当 Cac 为 0.1uF、10nF 时，输出纹波的峰峰值(含低低频分量)为 21.2mV、20.4 mV。在相同的外围参数的情况下，将 Cac 改为 470pF，如图 7 所示，输出纹波的峰峰值降为10.8mV。如图 8 所示，与图 7 相比，Rr 降为 49.9kohm，其输出纹波的峰峰值增大到 14.4mV。 图 5. Cac 为 0.1uF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF) 图 6. Cac 为 10nF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF) 图 7. Cac 为 470pF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF) 图 8. Rr 为 49.9kohm 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Cac 为 470pF，Cr 为 3300pF) 图 9. 不同 Cac 的输入线性调整率(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)图 9 是在不同 Cac 时的输入线性调整率比较，其测试条件为：输入电压是直流电压，输出电流为400mA，Rr 为 100koh，Cr 为 3300pF。从图中可看出 Cac 越小，输出电压的线性调整率越好。5 总结LM5017 可以通过适当的纹波注入参数的选择，可以实现载波模块供电时的 1纹波输出。按本 文给出的纹波注入参数的计算方式，与实际测试非常吻合。