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三相電開關(guān)電源電表技術(shù)難題解析
三相智能電表的內(nèi)部電源結(jié)構(gòu)：
智能電表中開關(guān)電源的要求：
本文僅針對幾個重要的要求提出解決方案：
極寬輸入電壓范圍
多路輸出調(diào)整率
各類異常
層疊式普通反激方案：
對于常規(guī)輸入電壓(85Vac-265Vac)的小功率開關(guān)電源應(yīng)用，綜合效率及成本，反激拓撲zui為常見。結(jié)構(gòu)上可以采用控制器配外置的開關(guān)器件，或者考慮集成度，也有集成控制器和開關(guān)器件于一個封裝。開關(guān)器件的耐壓等級通常為650V，700V和800V。如果對于三相應(yīng)用，考慮到變壓器的反射電壓及漏感和設(shè)計余量，該類器件無法滿足要求。而單純采用一個高壓開關(guān)器件，如1000V或1200V以上的功率開關(guān)器件，挑選余地并不大，成本也較高。因此，在三相電表中考慮的*個設(shè)計問題就是如何解決高輸入電壓下的耐壓問題。
以一個具體規(guī)格為例進行說明：
規(guī)格：
由于多路輸出和小功率輸出的特點，電源拓撲選擇反激較為合適。本文中控制芯片為英飛凌ICE3AR2280JZ。其內(nèi)部除了工作頻率為100KHz的電流模式控制器外，還集成了800VCoolMOS，導(dǎo)通電阻為2.2ohm，封裝為DIP7。該芯片內(nèi)部同時集成了800V的高壓啟動單元。在環(huán)境溫度為50度，常規(guī)寬電壓輸入(85Vac-265Vac)情況，zui大輸入功率可達28W。同時，芯片還具有過流、過壓、輸入欠壓、過溫等保護功能和提高輕載效率的突發(fā)模式。鑒于小功率應(yīng)用，變壓器尺寸及環(huán)路補償?shù)纫蛩?，通常建議系統(tǒng)在全負載段工作于電流斷續(xù)模式(DCM)。
原理描述：
輸入電壓經(jīng)過前級的共模濾波器L1，C20，C21和兩個整流橋BR1和BR2;壓敏電阻RV1，RV2，RV3及CX11，CX12，CX13構(gòu)成過壓保護線路;功率電阻R1，R2，R3用于抑制浪涌電流。為了簡化設(shè)計，濾波電感的位置被放置于整流橋后以節(jié)省成本。考慮到輸入缺相情況，即只要任意兩根線存在，不論火線零線還是火線火線，系統(tǒng)仍舊可以正常工作，采用兩個整流橋輸出并聯(lián)使用。整流后，由于zui大峰值電壓可達780V，因此采用兩個450V電解電容進行串聯(lián)使用，同時考慮電壓平衡，R13，R14，R15，R16并接在電容兩側(cè)。
原邊的開關(guān)線路由變壓器、鉗位電路、開關(guān)管及CoolSET、TVS、齊納二極管等組成。
啟動時，電流通過R19，R20，R21，R22流過齊納二極管D10進入CoolSET的漏極相連的高壓啟動單元。CoolSET內(nèi)部的高壓啟動單位為800V，由于外部的TVS二極管的存在，超高電壓會被鉗位于一個特定的電壓，以保護CoolSET。但CoolSET開通時，外部MOSFET的源極被拉至地，從而齊納管D10形成反偏，從而使外部MOSFET開通;當(dāng)CoolSET關(guān)斷時，電感電流首先對CoolSET內(nèi)部的MOSFET的漏源電容進行充電，直到Vds電壓達到外部TVS二極管的鉗位電壓時，電流開始對外部MOSFET的門極源極電容進行放電，直到位于GS間的齊納二極管的正向電壓超過0.7V，外部MOSFET關(guān)斷，同時電流將通過齊納二極管D10流向外部TVS二極管或R19，R20，R21，R22。取決于兩個回路的阻抗，由于外部MOSFET的Vgs已經(jīng)接近于零，因此MOSFET將被*關(guān)斷;對于超過外部TVS管額定電壓的輸入，此時CoolSET電壓應(yīng)力即為外部TVS的鉗位電壓值。例如，采用了550VTVS二極管和一個800V的外部MOSFET，那么反激的耐壓能力為：550V+800V=1350V。作為設(shè)計，考慮惡劣情況，可以粗略估計從內(nèi)部MOSFET到外部MOSFET關(guān)斷的時間即為流過外部TVS二極管的時間，用zui大負載時的峰值電流容易得到流過TVS的平均電流。因此TVS二極管的損耗即為平均電流和鉗位電壓之積;
輸出電路由肖特基二極管，吸收電路，濾波器構(gòu)成。為了紋波要求，采用二級濾波器。其中輸出1為主5V，與12V共地，另外一個5V的參考地與輸出1，2隔離?？紤]到多路輸出負載交叉調(diào)整問題，12V的參考疊加在5V輸出。這樣對于12V輸出，調(diào)整精度有所提高。因為規(guī)避了5V輸出上二極管正向壓降隨電流變化的影響?；趧討B(tài)穩(wěn)定性方面的考慮，12V輸出電容C8放置于5V輸出，這樣可以避免5V輸出大動態(tài)負載跳變時造成12V輸出不穩(wěn)定的情況。
反饋電路由分壓網(wǎng)絡(luò)、補償網(wǎng)絡(luò)、TL431及光耦構(gòu)成。補償部分由C10，C11和R10構(gòu)成，其中R10與C10，C11分別構(gòu)成兩個極點和零點對電流型反激進行補償。