如何解決智能電表電源設(shè)計面臨的最大挑戰(zhàn)

智能電表是下一代電表，它們將取代仍在使用幾十年前開發(fā)技術(shù)的現(xiàn)有電表。智能電表使用安全連接網(wǎng)絡(luò)，將能源使用情況通過無線自動發(fā)送到公用事業(yè)公司。這意味著客戶將不會再收到估計的電表賬單，或讓抄表員進入家中讀表。

與傳統(tǒng)IR（紅外線）和IrDA（紅外線數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)）界面相比，智能電表采用了更先進的通信界面；它們需要更多內(nèi)存和更強大的微控制器。由于這些功能會導(dǎo)致能耗增加，因此必須使用開關(guān)型電源（SMPS），而不是電容液滴電源。單相電表的使用范圍為交流100V至500V。三相電表為最低單相交流100V到各相300V。由于必須符合能效標準，特別是符合較低功耗要求，因此為SMPS設(shè)計人員帶來了更多挑戰(zhàn)，因為你不能因為電表使用的能源向客戶收費。另一方面，智能電表使用的能源也不應(yīng)該對公用事業(yè)帶來無法接受的電力要求。

由于受到全球范圍內(nèi)對電表進行篡改的影響，公用事業(yè)公司一直面臨著相應(yīng)的收入損失。自推出第一款電子電表以來，就有一些不道德的人試圖通過改動電表進行偷電。他們?yōu)榇讼氤隽烁鞣N方法。因此電表篡改可能是智能電表電源設(shè)計人員必須應(yīng)對的最重要的問題。大部分電源使用的都是鐵氧體磁芯變壓器，這種變壓器雖然經(jīng)濟高效，但很容易受到幾厘米以外稀土磁鐵產(chǎn)生的強磁場的影響。當磁鐵靠近變壓器時，它會使變壓器趨向飽和并產(chǎn)生過載，損壞開關(guān)（MOSFET/雙極結(jié)型晶體管），從而破壞電源。如今使用的大部分電源控制器都有內(nèi)置的集成過載保護功能。如果變壓器趨向飽和，快速電流比較器會關(guān)閉開關(guān)以保護電源。但缺點是由于計量塊失去供電，將會無法計量。但這是電表最重要的功能。為了在有人試圖篡改時保持電表的持續(xù)運作，一種方法是用磁屏蔽材料對變壓器進行屏蔽。但費用很昂貴，而且會增加組裝成本——每個鐵氧體磁芯變壓器都需要屏蔽。

另一種方法是在變壓器中使用高磁阻壓粉鐵芯來替代鐵氧體磁芯。壓粉鐵芯的磁通密度更高，為1.2-1.4特斯拉，而鐵氧體磁芯僅為0.4-0.5特斯拉。與對變壓器進行磁屏蔽相比，它的成本相對較低。但由于磁芯的損失較高，因此會對供電效率產(chǎn)生嚴重影響。但對于智能電表電源這種缺點可能會不太明顯。

根據(jù)使用的無線通信協(xié)議，智能電表的峰值功耗會躍升至1W-10W。

sub 1 GHz的峰值功耗約為0.5W；ZigBee的峰值功耗約為1W，全球移動通信系統(tǒng)（GSM）的峰值功耗約為10W。

但在大部分使用中，電表通常的耗電量不到1W。在確定電表的總功耗時，低/輕負載時的電源效率是至關(guān)重要的。電源設(shè)計人員會將較高的輕載效率作為目標。有幾種方法可以提高在低/輕負載情況下的效率，例如降低開關(guān)控制器的靜態(tài)電流，使用配備高壓啟動集成電路的初級側(cè)控制器，或使用包含調(diào)頻和調(diào)幅組合的開關(guān)控制器。降低開關(guān)頻率，當負載降低時電流會減少磁芯損失，因此建議使用壓粉鐵芯變壓器。

在智能電表中，必須采用高工作電壓，以防止將單相電表意外連接到兩相（交流500V）或各相為交流300V 的三相電表上。但這種高壓會增加電力復(fù)雜性、組件數(shù)量和成本。

反激拓撲是智能電表電源設(shè)計中最簡單和最經(jīng)濟的拓撲設(shè)計。在反激拓撲中，開關(guān)組件必須經(jīng)受1000V的電壓。直流730V（交流300V *√3 *√2）加上直流220V鉗位電壓以及由于緩沖器二極管傳導(dǎo)延遲造成的直流50V過沖。在假設(shè)降低定額值為15%的情況下，開關(guān)組件的額定電壓應(yīng)當為1200V。開關(guān)轉(zhuǎn)換器（帶內(nèi)置700V/800V MOSFET）在共源共柵配置中使用另一個500V MOSFET，以滿足1200V的要求。另一項低成本技術(shù)使用配有開關(guān)控制器的單1200V BJT提供高壓保護。電壓和電流等級相同的BJT成本價格僅為MOSFET的三分之一。

因此，最佳SMPS設(shè)計應(yīng)當是壓粉鐵芯變壓器，通過控制開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)對輕載效率和共源共柵結(jié)構(gòu)，以承受高輸入電壓。

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