微波EDA网,见证研发工程师的成长!
首页 > 硬件设计 > 硬件工程师文库 > 智能电表:采用LM5017实现 1‰纹波输出

智能电表:采用LM5017实现 1‰纹波输出

时间:07-18 来源:EEFOCUS 点击:

  中国国家电网智能化改造非常迅猛,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。

  其中,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 7.5V~100V,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。

  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:18~50V(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《12mV。

  开关频率:500kHz

  输出反馈电阻:RFB1 为 1.2kohm,RFB2 为 10.5kohm

  3.1 输出电感选择

  设输出电压上的纹波电流为 100mA,正常输入电压在 21V 左右,则输出电感为:

  

  L1 选择为 100uH 电感。在此采用 TDK 的 SLF10145T-101M1R0,DCR 为 0.2ohm。该电感在 19V 输入时,输出电流纹波为:

  

  3.2 输出电容选择

  输出开关纹波为 6mV(考虑一定的裕量),输出电容采用瓷片电容。式 5 是计算恒定负载条件下, 满足输出最大允许纹波的最小输出电容值。

  

  因此,输出电容选择 10uF 瓷片电容。瓷片电容的 ESR 一般在 2mohm 左右,此应用中电容 ESR 对输出纹波电压的影响可以忽略不计。在实际线路中,为了降低输入低频纹波对输出的影响,输出 电容在 10uF 瓷片电容的基础上,还并了一个 330uF 的电解电容。

  3.3 Cr, Rr 选择

  当 Cr*Rr=L/DCR 时,注入的纹波等于电感 DCR 产生的纹波。当 Cr*Rr》L/DCR 时,注入的纹波 小于电感 DCR 产生的纹波。反之,当 Cr*Rr《L/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,Rr≤137kohm。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。

  

  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。

  4 实验验证

实验线路是按图 4 的参数

Copyright © 2017-2020 微波EDA网 版权所有

网站地图

Top