高效率可防篡改的電表電源設(shè)計(jì)

本文將介紹如何使用Power IIntegrations的LinkSwitch-XT產(chǎn)品系列來(lái)設(shè)計(jì)防篡改電表，并可在滿載的情況下實(shí)現(xiàn)高效率。

　　圖1所示的電路設(shè)計(jì)利用LNK363DN生成5V、150mA的隔離輸出。這里所設(shè)計(jì)的變壓器具有足夠的電感量，能使電源提供所需的功率。變壓器使用壓粉鐵芯，增強(qiáng)了抗外部磁場(chǎng)的干擾能力，即使有人利用較強(qiáng)的外部磁場(chǎng)使磁芯達(dá)到飽和以企圖篡改電能表時(shí)，電源也不會(huì)受其影響。

　　D1到D4的二極管用于對(duì)AC輸入進(jìn)行整流。電容C1和C2對(duì)整流的DC進(jìn)行濾波。電感L1、C1和C2組成一個(gè)π型濾波器，對(duì)差模傳導(dǎo)EMI進(jìn)行衰減。通過(guò)開(kāi)/關(guān)控制，U1可跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期，并可根據(jù)饋入到其FB引腳的電流對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)流入此引腳的電流超過(guò)49mA時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)低邏輯電平(禁止)。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，都會(huì)對(duì)FB引腳狀態(tài)進(jìn)行采樣；如果為高電平，功率MOSFET會(huì)在那個(gè)周期導(dǎo)通(啟用)，否則功率MOSFET將仍處于關(guān)閉狀態(tài)(禁止)。

　　穩(wěn)壓二極管參考VR1(3.9V)及U2(1.1V)LED上的電壓總和決定了輸出電壓。電阻R3為VR1提供偏置恒流，以使VR1在測(cè)試電流下工作。

　　篡改開(kāi)關(guān)電源電能表的一個(gè)常用方法，就是用強(qiáng)外部磁場(chǎng)進(jìn)行干擾。該磁場(chǎng)會(huì)耦合到變壓器的磁芯并使磁芯達(dá)到飽和。如果換作其它解決方案，在出現(xiàn)上述情況時(shí)，MOSFET將會(huì)因?yàn)檫^(guò)流而出現(xiàn)破壞性故障。而采用Power Integrations的器件后，快速限流元件將對(duì)內(nèi)部MOSFET提供保護(hù)，但輸出端電壓將失去穩(wěn)定，從而使電能表停止工作。圍繞這一難題，一些解決方案應(yīng)運(yùn)而生?？招淖儔浩鞅闶瞧渲械囊粋€(gè)解決方案，它永遠(yuǎn)不會(huì)飽和，但卻需要大量的繞線圈數(shù)。結(jié)果帶來(lái)高銅芯損耗和漏感，這樣會(huì)極大地降低效率(約為20%)。如果變壓器的外殼采用可防止磁芯產(chǎn)生磁通和飽和的磁屏蔽材料，則可使用標(biāo)準(zhǔn)的鐵氧體變壓器。這無(wú)疑增加了成本和復(fù)雜程度，因?yàn)槊糠N新設(shè)計(jì)都需要自定義各自的屏蔽性。

　　本設(shè)計(jì)通過(guò)使用帶有分布?xì)庀兜母叽抛鑹悍坭F芯材料代替鐵粉芯來(lái)解決上述問(wèn)題。這種磁芯具有較低的相對(duì)磁導(dǎo)率(m，介于10~35之間)。與鐵氧體(磁通密度4000高斯，0.4T)相比，壓粉鐵芯具有更高的飽和磁通密度(15000高斯，1.5T)，飽和特性更弱。

　　使用強(qiáng)電磁體和稀土永磁對(duì)磁化率進(jìn)行了檢測(cè)。將磁鐵的一端直接放于磁芯的頂端，未發(fā)現(xiàn)磁芯飽和。

　　設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　●使用PI Xls設(shè)計(jì)變壓器。要設(shè)計(jì)飽和的變壓器，需要輸入60%的變壓器公差。在飽和或接近飽和時(shí)，初級(jí)側(cè)電感壓降以及高公差數(shù)字可確保有足夠的電感值維持功率輸出。
　　●由于磁芯的磁阻較高，因此繞線圈數(shù)較多。但這也有一定的好處，即工作磁通密度非常低(400高斯)，使得磁芯飽和有非常高的裕量。
　　●確保在飽和狀態(tài)下，滿載峰值漏極電流和最大輸入電壓低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最大電流。
　　●要降低磁芯損耗，應(yīng)將可工作的AC磁通擺幅限制在300高斯或更少。這意味著峰值磁通密度應(yīng)保持在600高斯以下。

　　設(shè)計(jì)總結(jié)

　　使用此電路設(shè)計(jì)的電表電源成本低、使用的元件數(shù)量少。它采用壓粉鐵芯材料，增強(qiáng)了防篡改保護(hù)功能。此設(shè)計(jì)的工作磁通密度較低(400高斯)，降低了磁芯損耗(40mW)。無(wú)需大容量輸出電容或第二個(gè)較高的輸出電壓，并可滿足符合EN55022B傳導(dǎo)EMI限制，EMI裕量>6dBmV。在滿載時(shí)電源的效率達(dá)到58%。