使用 eFuse使得智能電表的核心開關(guān)模式電源 (SMPS)更加堅固可靠

時間：2022-01-12 10:38:33

關(guān)鍵字： eFuse SMPS電路保護

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[導讀] 取代現(xiàn)有的電表（仍然使用幾十年前開發(fā)的技術(shù)），智能電表使用安全連接網(wǎng)絡(luò)自動和無線地將能源使用情況發(fā)送給公用事業(yè)公司。智能電表的核心是其開關(guān)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。

1.前言

取代現(xiàn)有的電表（仍然使用幾十年前開發(fā)的技術(shù)），智能電表使用安全連接網(wǎng)絡(luò)自動和無線地將能源使用情況發(fā)送給公用事業(yè)公司。智能電表的核心是其開關(guān)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(zhuǎn)換器首先在主電源開關(guān)打開時將能量從輸入源存儲到變壓器中。當開關(guān)關(guān)閉時，變壓器電壓反轉(zhuǎn)，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）。

使用 eFuse使得智能電表的核心開關(guān)模式電源 (SMPS)更加堅固可靠

圖 1：基本反激框圖

對于多輸出，該技術(shù)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。

使用 eFuse使得智能電表的核心開關(guān)模式電源 (SMPS)更加堅固可靠

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(tǒng) (GSM)/通用分組無線電服務(wù) (GPRS) 調(diào)制解調(diào)器。

· Sub-1 GHz 射頻 (RF) 模塊為 3.3V。

· 3.3V 用于 2.4GHz 射頻模塊。

使用 eFuse使得智能電表的核心開關(guān)模式電源 (SMPS)更加堅固可靠

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(diào)節(jié)，而其余的軌則是準調(diào)節(jié)的。交流疊層繞組、直流疊層繞組和加權(quán)反饋等各種技術(shù)可以改善調(diào)節(jié)。但是過載/短路保護在多輸出電源中提出了許多挑戰(zhàn)。脈寬調(diào)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(jīng)崩潰，它無法測量能量，從而違背了智能電表的初衷。

與傳統(tǒng)的線性電源相比，開關(guān)電源的優(yōu)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(guān)晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，損耗較小，發(fā)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(guān)電源工作時，由于頻率較高，會對電網(wǎng)及周圍設(shè)備造成干擾，因此，必須妥善的處理此問題。

線性電源的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)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(xiàn)代的電路中，開關(guān)電源電路和線性電源電路在大多數(shù)情況下，是組合使用的——使用開關(guān)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(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/DConverter）使用。

開關(guān)電源的拓撲指開關(guān)電源電路的構(gòu)成形式。一般是根據(jù)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(lián)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(guān)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(diào)制解調(diào)器通信導軌。