一款典型的三相智能电表开关电源解决方案

发布时间：2014-04-8 阅读量：1609 来源: 发布人:

【导读】目前国内智能电表用电源依旧以传统工频变压器为主，而国外一些产品已经逐步使用了开关电源。主要的原因是电表功能加强后，供电功率要求增加，工频变压器很难胜任。同时，考虑到安装及运输成本，开关电源会有具备很大优势。

三相智能电表的内部电源结构

智能电表中开关电源的要求，本文仅针对几个重要的要求提出解决方案：

（1）极宽输入电压范围

（2）多路输出调整率

（3）各类异常

层叠式普通反激方案

　　
对于常规输入电压（85Vac-265Vac）的小功率开关电源应用，综合效率及成本，反激拓扑最为常见。结构上可以采用控制器配外置的开关器件，或者考虑集成度，也有集成控制器和开关器件于一个封装。开关器件的耐压等级通常为650V，700V和800V。如果对于三相应用，考虑到变压器的反射电压及漏感和设计余量，该类器件无法满足要求。而单纯采用一个高压开关器件，如1000V或1200V以上的功率开关器件，挑选余地并不大，成本也较高。因此，在三相电表中考虑的第一个设计问题就是如何解决高输入电压下的耐压问题。

　　
以一个具体规格为例进行说明：

由于多路输出和小功率输出的特点，电源拓扑选择反激较为合适。本文中控制芯片为英飞凌ICE3AR2280JZ。其内部除了工作频率为100KHz的电流模式控制器外，还集成了800V CoolMOS，导通电阻为2.2ohm，封装为DIP7。该芯片内部同时集成了800V的高压启动单元。在环境温度为50度，常规宽电压输入（85Vac-265Vac）情况，最大输入功率可达28W。同时，芯片还具有过流、过压、输入欠压、过温等保护功能和提高轻载效率的突发模式。鉴于小功率应用，变压器尺寸及环路补偿等因素，通常建议系统在全负载段工作于电流断续模式（DCM）。

　　
原理图：

输入电压经过前级的共模滤波器L1，C20，C21和两个整流桥BR1和BR2；压敏电阻RV1，RV2，RV3及CX11，CX12，CX13构成过压保护线路；功率电阻R1，R2，R3用于抑制浪涌电流。为了简化设计，滤波电感的位置被放置于整流桥后以节省成本。考虑到输入缺相情况，即只要任意两根线存在，不论火线零线还是火线火线，系统仍旧可以正常工作，采用两个整流桥输出并联使用。整流后，由于最大峰值电压可达780V，因此采用两个450V电解电容进行串联使用，同时考虑电压平衡，R13，R14，R15，R16并接在电容两侧。

　　
原边的开关线路由变压器、钳位电路、开关管及CoolSET、TVS、齐纳二极管等组成。

　　
启动时，电流通过R19，R20，R21，R22流过齐纳二极管D10进入CoolSET的漏极相连的高压启动单元。CoolSET内部的高压启动单位为800V，由于外部的TVS二极管的存在，超高电压会被钳位于一个特定的电压，以保护CoolSET。但CoolSET开通时，外部MOSFET的源极被拉至地，从而齐纳管D10形成反偏，从而使外部MOSFET开通；当CoolSET关断时，电感电流首先对CoolSET内部的MOSFET的漏源电容进行充电，直到Vds电压达到外部TVS二极管的钳位电压时，电流开始对外部MOSFET的门极源极电容进行放电，直到位于GS间的齐纳二极管的正向电压超过0.7V，外部MOSFET关断，同时电流将通过齐纳二极管D10流向外部TVS二极管或R19，R20，R21，R22。取决于两个回路的阻抗，由于外部MOSFET的Vgs已经接近于零，因此MOSFET将被彻底关断；对于超过外部TVS管额定电压的输入，此时CoolSET电压应力即为外部TVS的钳位电压值。例如，采用了550V TVS二极管和一个800V的外部MOSFET，那么反激的耐压能力为：

550V+800V=1350V。作为设计，考虑恶劣情况，可以粗略估计从内部MOSFET到外部MOSFET关断的时间即为流过外部TVS二极管的时间，用最大负载时的峰值电流容易得到流过TVS的平均电流。因此TVS二极管的损耗即为平均电流和钳位电压之积；

　　
输出电路由肖特基二极管，吸收电路，滤波器构成。为了纹波要求，采用二级滤波器。其中输出1为主5V，与12V共地，另外一个5V的参考地与输出1，2隔离。考虑到多路输出负载交叉调整问题，12V的参考叠加在5V输出。这样对于12V输出，调整精度有所提高。因为规避了5V输出上二极管正向压降随电流变化的影响。基于动态稳定性方面的考虑，12V输出电容C8放置于5V输出，这样可以避免5V输出大动态负载跳变时造成12V输出不稳定的情况。

相关资讯

半导体产业升级战：三星电子新一代1c DRAM量产布局解析

在全球半导体产业加速迭代的背景下，三星电子日前披露了其第六代10纳米级DRAM（1c DRAM）的产能规划方案。根据产业研究机构TechInsights于2023年8月22日发布的行业简报，这家韩国科技巨头正在同步推进华城厂区和平泽P4基地的设备升级工作，预计将于2023年第四季度形成规模化量产能力。这项技术的突破不仅标志着存储芯片制程进入新纪元，更将直接影响下一代高带宽存储器（HBM4）的市场格局。

蓝牙信道探测技术落地：MOKO联手Nordic破解室内定位三大痛点

全球领先的物联网设备制造商MOKO SMART近期推出基于Nordic Semiconductor新一代nRF54L15 SoC的L03蓝牙6.0信标，标志着低功耗蓝牙（BLE）定位技术进入高精度、长续航的新阶段。该方案集成蓝牙信道探测（Channel Sounding）、多协议兼容性与超低功耗设计，覆盖室内外复杂场景，定位误差率较传统方案降低60%以上，同时续航能力突破10年，为智慧城市、工业4.0等场景提供基础设施支持。

财报季再现黑天鹅！ADI营收超预期为何股价暴跌5%？

半导体行业风向标企业亚德诺（ADI）最新财报引发市场深度博弈。尽管公司第三财季营收预期上修至27.5亿美元，显著超出市场共识，但受关税政策驱动的汽车电子产品需求透支风险显露，致使股价单日重挫5%。这一背离现象揭示了当前半导体产业面临的复杂生态：在供应链重构与政策扰动交织下，短期业绩爆发与长期可持续增长之间的矛盾日益凸显。

全球可穿戴腕带市场首季激增13%，生态服务成决胜关键

根据国际权威市场研究机构Canalys于5月23日发布的调研报告，2025年第一季度全球可穿戴腕带设备市场呈现显著增长态势，总出货量达到4660万台，较去年同期增长13%。这一数据表明，消费者对健康监测、运动管理及智能互联设备的需求持续升温，行业竞争格局亦同步加速重构。

RP2350 vs STM32H7：性能翻倍，成本减半的MCU革新之战

2025年5月23日，全球领先的半导体与电子元器件代理商贸泽电子（Mouser Electronics）宣布，正式开售Raspberry Pi新一代RP2350微控制器。作为RP2040的迭代升级产品，RP2350凭借双核异构架构（Arm Cortex-M33 + RISC-V）、硬件级安全防护及工业级性价比，重新定义了中高端嵌入式开发场景的技术边界。该芯片通过多架构动态切换、可编程I/O扩展及4MB片上存储等创新设计，解决了传统微控制器在实时响应能力、跨生态兼容性与安全成本矛盾上的核心痛点，为工业自动化、消费电子及边缘AI设备提供了更具竞争力的底层硬件方案。