發布日期：2022-04-20 點擊率：114
1.前言
取代現有的電表（仍然使用幾十年前開發的技術），智能電表使用安全連接網絡自動和無線地將能源使用情況發送給公用事業公司。智能電表的核心是其開關模式電源 (SMPS)，它使用適用于單相和三相智能電表的低成本反激式拓撲。
2.具體方案
圖 1 中所示的反激式轉換器首先在主電源開關打開時將能量從輸入源存儲到變壓器中。當開關關閉時，變壓器電壓反轉，正向偏置輸出捕捉二極管并將能量輸送到輸出。對于反激式拓撲，輸出可以是正的或負的（由變壓器極性點定義）。
圖 1：基本反激框圖
對于多輸出，該技術是在變壓器上有多個繞組，然后是二極管和電容器電路，如圖 2 所示。
圖 2：多輸出反激框圖
圖 3 顯示了單相/三相智能電表的 SMPS 方案的框圖。典型的導軌是：
· 3.3V 為微控制器供電。
· 12V 用于連接/斷開的閉鎖繼電器。
· 6V-9V 用于隔離的 RS-485/RS-232 接口。
· 16V 用于可編程邏輯控制器 (PLC) 通信。
· 3.8V-4.2V 用于全球移動通信系統 (GSM)/通用分組無線電服務 (GPRS) 調制解調器。
· Sub-1 GHz 射頻 (RF) 模塊為 3.3V。
· 3.3V 用于 2.4GHz 射頻模塊。
圖 3：智能電表中的 SMPS 方案
在智能電表中使用的多輸出反激拓撲中，一個輸出為主，其余輸出為從。“一個輸出為主”表示該輸出上的反饋回路是閉合的；因此，主輸出得到很好的調節，而其余的軌則是準調節的。交流疊層繞組、直流疊層繞組和加權反饋等各種技術可以改善調節。但是過載/短路保護在多輸出電源中提出了許多挑戰。脈寬調制 (PWM) 控制器將在任何輸出過載或短路時進入打嗝模式。所有電壓軌以及為微控制器供電的主要 3.3V 軌都將崩潰。由于微控制器電壓軌已經崩潰，它無法測量能量，從而違背了智能電表的初衷。
與傳統的線性電源相比，開關電源的優勢在于效率高（此處的效率可以簡單的看作輸入功率與輸出功率之比），加之開關晶體管工作于開關狀態，損耗較小，發熱較低，不需要體積/重量非常大的散熱器，因此體積較小、重量較輕。但開關電源工作時，由于頻率較高，會對電網及周圍設備造成干擾，因此，必須妥善的處理此問題。
線性電源的優勢在于結構相對簡單，可靠性相對較高，電流紋波率可以很容易的做到比較低，維修也較為方便。
實際上，現代的電路中，開關電源電路和線性電源電路在大多數情況下，是組合使用的——使用開關電源進行初步的變換，給紋波、精度要求不高的電路使用；同時，使用低壓差線性電源電路（LDO）獲取精密的、低紋波（噪聲）的電壓供諸如運算放大器（OP-AMP），模數轉換電路（A/DConverter）使用。
開關電源的拓撲指開關電源電路的構成形式。一般是根據輸出地線與輸入地線有無電氣隔離，分為隔離及非隔離變換器。非隔離即輸入端與輸出端相通，沒有隔離措施，常見的DC/DC變換器大多是這種類型。所謂隔離是指輸入端與輸出端在電路上不是直接聯通的，使用隔離變壓器通過電磁變換方式進行能量傳遞，輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的。通常來說，為了保護使用者的人身安全，使用主要供電(市電)或輸入電壓高于安全電壓（目前公認是36伏特）的開關電源必須是隔離式。
3.使用eFuse進行保護
圖 4 顯示了建議的 SMPS 方案，該方案采用 TI 的電子保險絲 (eFuse)，以解決當前方案中提到的所有問題和缺點。TPS25921 可以處理閉鎖繼電器、PLC 和 RS-485/RS-232 接口導軌，而 TPS25200 可以處理低于 1 GHz、zigbee? 和 GSM/GPRS 調制解調器通信導軌。
圖4：建議的智能電表 SMPS 方案
TI 的 eFuse 是一種有源電路保護器件，可限制浪涌電流并防止過流事件造成的負載損壞。它有一個內部場效應晶體管（FET）來控制負載電流，并集成了過流和短路保護。圖 5 顯示了它的框圖。
圖 5：eFuse 框圖
精確的過流限制有助于最大限度地減少電源的過度設計，而快速響應的短路保護立即將負載與輸入隔離。這些器件使您能夠使用外部電阻器對過流限制閾值進行編程。其他功能包括過熱保護以在過流情況下安全關閉，并可選擇鎖定或自動重啟模式。
因此，eFuse 器件將有助于隔離發生過載或短路事件的電源軌，而不會影響測量能量的主微控制器電源軌 (3.3V)。
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