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中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)智能化改造非常迅猛，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司推出新一代的智能電能表系列標(biāo)準(zhǔn)。在新標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)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(yán)格。新標(biāo)準(zhǔn)要求智能電表通信載波 模塊供電 12V Vcc，在滿(mǎn)載時(shí)的輸出電壓紋波要小于 1‰（單相智能表的滿(mǎn)載電流是 125mA，三相 智能表的滿(mǎn)載電流是 400mA）。
圖 1 是常用的三相智能表電源架構(gòu)。從電源架構(gòu)上看，智能表通過(guò)線(xiàn)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(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，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(guó)網(wǎng) 3 相電表電源架構(gòu)
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(dá)到 600mA，非常適合在三相智能表中應(yīng)用。
2 紋波注入原理
在新國(guó)網(wǎng)規(guī)范中，LM5017 需要面對(duì)的主要問(wèn)題是：如何實(shí)現(xiàn)載波模塊供電時(shí)的 1‰紋波輸出。 LM5017 采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制（Constant On-time Control， COT），其內(nèi)部框圖如圖 2 所示。
LM5017 通過(guò) Ron 來(lái)設(shè)定固定的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度 Ton。當(dāng) FB 的電壓低于 1.225V 時(shí)，內(nèi)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(shí)間結(jié)束后，關(guān)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(lái)實(shí)現(xiàn)。為了保證高速比較器穩(wěn)定工作，COT 對(duì) FB PIN 的紋 波會(huì)有一定的要求，LM5017 要求 FB PIN 的最小紋波是 25mV。當(dāng) LM5017 的輸出紋波需要滿(mǎn)足國(guó) 網(wǎng)對(duì)載 波模 塊輸 入紋 波《1‰ 的要 求時(shí) ， 其 輸出紋 波 經(jīng)分 壓電 阻 分 壓后， 在 FB Pin 的紋波 為《1.2mV，遠(yuǎn)低于 LM5017 的需求，有可能導(dǎo)致 LM5017 工作不穩(wěn)定。因此，需要外加紋波注入線(xiàn) 路，人為在 FB Pin 上產(chǎn)生一定的紋波，使其滿(mǎn)足 LM5017 的需求。
圖 2. LM5017 內(nèi)部框圖
圖 3 是一種最小紋波的紋波注入電路。其通過(guò) SW Pin 與 Vout 的電壓在 Rr、Cr 上產(chǎn)生一個(gè)三角 波，其通過(guò) Cac 注入 FB Pin。由于其不需要通過(guò)輸出紋波來(lái)滿(mǎn)足 FB pin 的 25mV 的要求，該線(xiàn)路 理論上可以達(dá)到輸出零紋波。
3 參數(shù)設(shè)計(jì)
三相智能電表的給通信載波模塊供電時(shí)，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(shí)，輸入電壓為 21V 左右。 輸出：12V/400mA，輸出電壓紋波《12mV。
開(kāi)關(guān)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(shè)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(shí)，輸出電流紋波為：
3.2 輸出電容選擇
輸出開(kāi)關(guān)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(jì)算恒定負(fù)載條件下， 滿(mǎn)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(yīng)用中電容 ESR 對(duì)輸出紋波電壓的影響可以忽略不計(jì)。在實(shí)際線(xiàn)路中，為了降低輸入低頻紋波對(duì)輸出的影響，輸出 電容在 10uF 瓷片電容的基礎(chǔ)上，還并了一個(gè) 330uF 的電解電容。
3.3 Cr， Rr 選擇
當(dāng) Cr*Rr=L/DCR 時(shí)，注入的紋波等于電感 DCR 產(chǎn)生的紋波。當(dāng) Cr*Rr》L/DCR 時(shí)，注入的紋波 小于電感 DCR 產(chǎn)生的紋波。反之，當(dāng) Cr*Rr《L/DCR 時(shí)，注入紋波大于 DCR 產(chǎn)生的紋波。
電感 DCR 產(chǎn)生的紋波，可以由式 6 得到：
需要注入最小紋波為 25mV，則
需要滿(mǎn)足 COT 模式，環(huán)路穩(wěn)定的判據(jù)：
則 Cr 選 3300pF，Rr≤137kohm。此處，Rr 實(shí)際選擇為 100kohm。
3.4 Cac 選擇
Cac 是為了除去 Cr 上的直流電平。從實(shí)驗(yàn)上看，Cac 不能太大，Cac 過(guò)大，輸出電壓的線(xiàn)性調(diào)整 率會(huì)變差。同時(shí)，當(dāng)輸入電壓有低頻波動(dòng)時(shí)，輸出電壓上也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的低頻波動(dòng)，導(dǎo)致輸出電壓 紋波過(guò)大。根據(jù) COT 模式，環(huán)路穩(wěn)定的判據(jù)，可得：
因此，Cac 選擇為 470pF。
圖 3. 最小輸出紋波的紋波注入電路
增加紋波注入電路之后，COT 模式環(huán)路穩(wěn)定判定條件如下［1］：
在實(shí)際電表應(yīng)用中，整流橋之后的輸出存在較大的低頻交流紋波，其對(duì)輸出紋波的影響非常大， 需要選擇合適的紋波注入?yún)?shù)。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路是按圖 4 的參數(shù)，在 LM5017 的 EVM 板進(jìn)行修改。 在實(shí)際電表應(yīng)用中，整流橋之后的輸出電壓存在低頻交流紋波。惡劣情況下，DC-DC 變換器的輸入電壓低頻交流紋波峰-峰值可能達(dá)到 0.8V 左右。在實(shí)驗(yàn)中我們采用直流電源的 VRAMP 功能，在直流電平上產(chǎn)生一個(gè)交流三角波，來(lái)模擬實(shí)際電表中出現(xiàn)的情況。
圖 4. LM5017 原理圖（12V@400mA）
從實(shí)驗(yàn)上看，Cac（C3）與 Rr（R1）值的大小，對(duì)輸出低頻交流紋波有較大的影響。Cac 越大時(shí)，輸 出低頻紋波越大。Rr 值越小，輸出低頻紋波越大。
圖 5~圖 8 的測(cè)試條件為：輸入電壓 21V（交流分量的峰峰值為 0.8V），輸出為 12V@400mA。如圖 5、圖 6 所示，當(dāng) Cac 為 0.1uF、10nF 時(shí)，輸出紋波的峰峰值（含低低頻分量）為 21.2mV、
20.4 mV。在相同的外圍參數(shù)的情況下，將 Cac 改為 470pF，如圖 7 所示，輸出紋波的峰峰值降為
10.8mV。
如圖 8 所示，與圖 7 相比，Rr 降為 49.9kohm，其輸出紋波的峰峰值增大到 14.4mV。
圖 5. Cac 為 0.1uF 時(shí)，輸入、輸出電壓紋波（400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF）
圖 6. Cac 為 10nF 時(shí)，輸入、輸出電壓紋波（400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF）
圖 7. Cac 為 470pF 時(shí)，輸入、輸出電壓紋波（400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF）
圖 8. Rr 為 49.9kohm 時(shí)，輸入、輸出電壓紋波（400mA 輸出，Cac 為 470pF，Cr 為 3300pF）
圖 9. 不同 Cac 的輸入線(xiàn)性調(diào)整率（400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF）
圖 9 是在不同 Cac 時(shí)的輸入線(xiàn)性調(diào)整率比較，其測(cè)試條件為：輸入電壓是直流電壓，輸出電流為400mA，Rr 為 100koh，Cr 為 3300pF。從圖中可看出 Cac 越小，輸出電壓的線(xiàn)性調(diào)整率越好。
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