采用LM的智能电表设计方案

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1、采用LM5017的智能电表设计方案文章来源：半导体器件应用网http://ic.big-bit.com　　近年来，中国国家电网智能化改造非常迅猛。2013年，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。　　1总体需求　　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12VVcc，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

2、。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

3、电时的1‰纹波输出。LM5017采用恒定导通时间控制(ConstantOn-timeControl,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FBPIN的纹波会有一定的要求，LM5017要求FBPIN的最小纹波

4、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FBPin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FBPin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SWPin与Vout的电压在Rr、Cr上产生一个三角波，其通过Cac注入FBPin。由于其不需要通过输出纹波来满足FBpin的25mV的要

5、求，该线路理论上可以达到输出零纹波。　　　　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。　　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：5

6、00kHz　　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

7、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。　　3.3Cr,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

8、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。　　3.4Cac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47