智能电表电源分析与设计

（中电装备山东电子有限公司，济南 250101）

电能表可靠运行的基本保障之一是优质的电源设计。国网标准对电能表在电磁兼容有很高的要求：电能表需要经过静电放电抗扰度、射频电磁场抗扰度、快速瞬变脉冲群抗扰度、射频场感应的传导骚扰抗扰度、浪涌抗扰度等试验后，应能正常工作，存储的信息无变化[1]。本文针对各模块电源的特点以及线性电源和开关电源对电能表的影响进行分析，设计合理的电能表供电电源。本设计已经通过实验验证后投入批量生产。

1 系统工作电源

单相表主要供电电源是通过对220 V交流电进行变压、整流、滤波、稳压后得到。如图1所示。

图1 交流电变压图Fig.1 Alternating current variable pressure diagram

单相输入回路L线与N线之间，并联一只压敏电阻，规格为S20K821，保护电压为交流820 V，当电压改变时压敏电阻改变其自身的电阻，主要保护由于雷电或者其他情况产生的短时浪涌电压。N线串联了一只热敏电阻，内阻200 Ω～400 Ω。把PTCR串联在负载电路中，当电路处于正常工作状态时，通过PTCR的电流不超过额定电流即不超过PTCR的最大不动作电流，PTCR处于常态，阻值较小，不会影响被保护电路的正常工作；当电路出现故障，电流大大超过额定电流，PTCR骤然发热，呈高阻态，达到保护电路目的；当故障排除后，PTCR自动恢复正常工作 。

变压器初级线圈经过308 V耐压4 h不损坏，保证电路的抗压性。变压器屏蔽罩材料使用冷轧钢板，厚度为1.2±0.1 mm，距离变压器外壳3 mm施加300 mT的恒大磁场，变压器能正常工作。经变压器次级输出一路交流电压12 VAC。10 VAC是由初级线圈引出，目的是达到计量电路的隔离，满足国网对电表4000 V耐压试验的要求。

2 主电路电源

2.1 线性电源设计

线性电源具有设计和制造简单、适应性强、可靠性经过大批量验证、成本较低、抗干扰能力强、纹波电压小等优点，一度成为智能电表电源设计的主流。缺点是：电压工作范围窄、功率密度小、效率低、功率因数低[2]。如图2所示，经变压器的次级线圈引脚1，2。桥式整流器SIZB60整流后输出比较连续，比较稳定的直流电压，经三端稳压器后输出5 V，给整个主系统提供电源。

图2 线性电源Fig.2 Linear power supply

三端稳压器一般采用78L05和7805，可以根据负载电流要求更换。三端稳压器前后多级电容并联设计是利用电容的充放电得到平滑的电压，而且不同数量级的电容并联可以增宽电源去耦频带。

2.2 开关电源

DC-DC变换器的功能一般是指直接对一种连续的直流电的转变，转换为另外一种稳定电压或者可调电压的直流电；而且DC-DC转换电路有不同的种类，应用广泛的有以下几种基本电路：降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper）、升压降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）、Cuk斩波电路[3]。电能表为了降低功耗，在电源部分加入DC-DC降压电路。

在降压斩波电路中通过控制开关Q的导通与关断，实现占空比的调整。负载电压平均值的计算如下：

式中：ton是Q导通时间的长度；toff是Q关断时间的长度；T=ton+toff是Q开关的一个周期；α＝ton/T，是开关导通占空比，其取值范围在0～1之间。

由α的取值范围可知，变换电路供给负载的电压平均值Uout可以取值为0-Uin。其取值的大小是由导通占空比α的增减来决定的。所以，此电路被称作降压斩波电路（Buck Chopper）。

一般情况下，斩波电路的控制方式采用脉冲宽度调制，即开关Q的周期T不变，只改变开关导通时间ton，继而改变导通占空比α。以此实现平均输出功率的作用。这样为保证系统输出电流的连续，避免因为电流断续造成的负载平均值被抬高，负载产生反电动势Um的情况出现。

降压斩波电路是最基本的一种DC/DC转换电路。它具有动态性能好、系统电路设计简单、转换效率高的优点。但是也存在自身缺点：导通占空比α最大值取1，Uout最大取值为Uin，所以只能用于降压变换电源应用。但是在电能表电源部分正好可以使用。

3 载波供电

直流斩波器不仅能起调压的作用（开关电源），同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。从现有的技术条件看，DC-DC电路的应用，还是单相电能表带载能力提高的必要条件。载波模块部分有12 V电压需要，远程表经整流桥输出16 V，如图3所示，16 V电压经过由Q10，Q11，D3和R121，R122等元件组成的串联线性稳压电路稳定输出为精度较高的12 V的直流电源，供给载波模块。

图3 稳压电路图Fig.3 Voltage stabilizing circuit diagram

其中Q10为功率调整管，它工作在线性放大区。三极管Q11、可控稳压基准源D3组成比较放大电路。R121，R122构成电压反馈采样电路。该稳压电路将输出电压精准地稳定在12 V。12 V电源经RC滤波电路消除干扰信号得到载波所需电源12 V。

4 系统备用电源

4.1 备用电池供电电路及检测

智能电表电子电路工作时都需要直流电源提供能量。电池因使用费用高，一般只用于掉电及低电压情况下时钟芯片、主芯片、按键等电路的供电。

如图4所示，电池检测是根据MCU采集到的BATT信号判断。若检测电压不低于设定的欠压阈值，判断电池工作正常，否则判断电池欠压。

图4 电池检测电路Fig.4 Battery detection circuit

常温下，3.6 V电池工作在1 mA的电路中且电压由3.67 V下降到3.0 V时的容量为960 mAh，考虑电池的自放电，5年自放电率≤5%。

掉电5年电池的平均功耗：I=（960×95%）mAh/（5×365×24）h=20.8 μA，因此VOO电源电路的功耗不能大于20.8 μA。

为了得到较准确的功耗测试结果，R136，R41，R43的取值至关重要。

按键按动时负载电流约为2 mA，所以为UR136= 2 mA×R136=0.002 R136。在对电池电压影响降到最小，而且为了测量功耗精确方便，R136取值为10 Ω。

时钟电池加在电阻R41，R43两端，以此检测时钟电池在电表使用过程中的电压，检测到的电压为

式中：R41，R43分别取值 1 MΩ，2 MΩ，R41和 R43>> R136。R0（芯片等效负载阻抗）要远远大于R41和R43才能确保R0对U基本无影响，式（2）可以化简为

电源电压的精度为±2%，A/D转换器固有精度为0.3%，外围电阻精度为±1%，若达到电池电压检测5%的检测精度，R0对电池电压检测的影响精度要小于0.7%，（5%-2%-0.3%-［1%-（-1%）］=0.7%），所以R0必须满足R0≥R43/0.7%≈143R43≈286 MΩ。

4.2 组合切换电源电路

正常供电是由VCC提供，在电表下电或者出现意外拉闸情况下备用电池通过如图 5所示电源的切换电路给主系统供电，保证电表正常工作。

图5 电池切换电路Fig.5 Battery switching circuit

系统加电时，CELL-端的电压低于VCC和VOO两端的电压，Q8下端不导通，该备用电源电路不工作；系统掉电后，VOO端的电压低于CELL-端的电压，Q8下端导通，该备用电源电路工作，电池为时钟芯片等电路提供工作电源。所以，Q8的漏电流参数变化直接影响到对电池工作状态的检测。CD1设置是为了保证系统上下电或者负载瞬时变化电源供给不足而影响主系统工作，进而影响计量精度而补给瞬时电流，保证系统工作电压稳定。

按键唤醒瞬间电路最大电流为8 mA，电解电容两端电压为3.2 V，则等效负载阻抗R=3.2 V/8 mA= 400 Ω。电池出现钝化造成电压瞬间大压差变化的时间约为2 ms，因此电解电容的容值选择100 μF，则电解电容放电时间t=RC=400 Ω×100 μF=40 ms>> 2 ms，满足设计要求。

5 结语

电源设计是智能电表电子电路工作的根本保证。直流电源的设计直接影响到电能表工作的稳定性和可靠性。本文针对不同电源需求，以系统稳定性和成本最小化为目的，对电源的各模块进行了原理分析与设计，提供不同的电源设计思路和方法。经过批量实验验证，在保证系统运行稳定的前提下，载波带载能力加强，备用电源及时有效地解决电表断电时的时钟、按键等操作以及数据的保存。

[1] 国家电网公司.Q/GDW 1364-2013单相智能电能表技术规范[S].北京：中国电力出版社，2013.

[2] 卢佳慧.开关电源在电子式电能表中的应用[J].机电技术，2011，34（4）：86-88.

[3] 张兰芸.TTEP Buck DC-DC变换器研究与应用[D].广州：中山大学，2006.