智能電表：采用LM5017實現(xiàn) 1‰紋波輸出

　　中國國家電網智能化改造非常迅猛，中國國家電網公司推出新一代的智能電能表系列標準。在新標準中，對電源供電的規(guī)格提出新的要求。

　　其中，智能電表中的載波通信（PLC）模塊供電規(guī)格，要求最為嚴格。新標準要求智能電表通信載波 模塊供電 12V Vcc，在滿載時的輸出電壓紋波要小于 1‰（單相智能表的滿載電流是 125mA，三相 智能表的滿載電流是 400mA）。

　　圖 1 是常用的三相智能表電源架構。從電源架構上看，智能表通過線性交流變壓器+整流橋的方 式，將 220Vac 降到較低的直流電壓。由于智能表需要有抗接地故障抑制能力（按國網標準，要求在 2 倍額定電壓的情況下，電能表不能損壞），其輸入電壓范圍通常較寬一般需要 0.8 倍~2 倍的額定電 壓。

　　圖 1. 常用國網 3 相電表電源架構

　　TI 的 LM5017，是新一代高壓同步變換器。其輸入電壓范圍是 7.5V~100V，輸出電流可以達到 600mA，非常適合在三相智能表中應用。

　　2 紋波注入原理

　　在新國網規(guī)范中，LM5017 需要面對的主要問題是：如何實現(xiàn)載波模塊供電時的 1‰紋波輸出。 LM5017 采用恒定導通時間控制（Constant On-time Control， COT），其內部框圖如圖 2 所示。

　　LM5017 通過 Ron 來設定固定的導通時間長度 Ton。當 FB 的電壓低于 1.225V 時，內部的快速比較器觸發(fā) COT 控制邏輯模塊輸出固定的 Ton（控制管，即上管）。Ton 時間結束后，關斷控制管，直到FB 的電壓再次低于 1.225V。

　　COT 控制的反饋是采用高速比較器來實現(xiàn)。為了保證高速比較器穩(wěn)定工作，COT 對 FB PIN 的紋 波會有一定的要求，LM5017 要求 FB PIN 的最小紋波是 25mV。當 LM5017 的輸出紋波需要滿足國 網對載 波模 塊輸 入紋 波《1‰ 的要 求時 ， 其 輸出紋 波 經分 壓電 阻 分 壓后， 在 FB Pin 的紋波 為《1.2mV，遠低于 LM5017 的需求，有可能導致 LM5017 工作不穩(wěn)定。因此，需要外加紋波注入線 路，人為在 FB Pin 上產生一定的紋波，使其滿足 LM5017 的需求。

　　圖 2. LM5017 內部框圖

　　圖 3 是一種最小紋波的紋波注入電路。其通過 SW Pin 與 Vout 的電壓在 Rr、Cr 上產生一個三角 波，其通過 Cac 注入 FB Pin。由于其不需要通過輸出紋波來滿足 FB pin 的 25mV 的要求，該線路 理論上可以達到輸出零紋波。

　　3 參數(shù)設計

　　三相智能電表的給通信載波模塊供電時，DC-DC 變換器的規(guī)格如下：

　　輸入電壓范圍：18~50V（50V 為兩倍輸入耐壓）， 220Vac 輸入時，輸入電壓為 21V 左右。 輸出：12V/400mA，輸出電壓紋波《12mV。

　　開關頻率：500kHz

　　輸出反饋電阻：RFB1 為 1.2kohm，RFB2 為 10.5kohm

　　3.1 輸出電感選擇

　　設輸出電壓上的紋波電流為 100mA，正常輸入電壓在 21V 左右，則輸出電感為：

　　L1 選擇為 100uH 電感。在此采用 TDK 的 SLF10145T-101M1R0，DCR 為 0.2ohm。該電感在 19V 輸入時，輸出電流紋波為：

　　3.2 輸出電容選擇

　　輸出開關紋波為 6mV（考慮一定的裕量），輸出電容采用瓷片電容。式 5 是計算恒定負載條件下， 滿足輸出最大允許紋波的最小輸出電容值。

　　因此，輸出電容選擇 10uF 瓷片電容。瓷片電容的 ESR 一般在 2mohm 左右，此應用中電容 ESR 對輸出紋波電壓的影響可以忽略不計。在實際線路中，為了降低輸入低頻紋波對輸出的影響，輸出 電容在 10uF 瓷片電容的基礎上，還并了一個 330uF 的電解電容。

　　3.3 Cr， Rr 選擇

　　當 Cr*Rr=L/DCR 時，注入的紋波等于電感 DCR 產生的紋波。當 Cr*Rr》L/DCR 時，注入的紋波 小于電感 DCR 產生的紋波。反之，當 Cr*Rr《L/DCR 時，注入紋波大于 DCR 產生的紋波。

　　電感 DCR 產生的紋波，可以由式 6 得到：