高效率可防篡改的電表電源設計

本文將介紹如何使用Power IIntegrations的LinkSwitch-XT產(chǎn)品系列來(lái)設計防篡改電表，并可在滿(mǎn)載的情況下實(shí)現高效率。

　　圖1所示的電路設計利用LNK363DN生成5V、150mA的隔離輸出。這里所設計的變壓器具有足夠的電感量，能使電源提供所需的功率。變壓器使用壓粉鐵芯，增強了抗外部磁場(chǎng)的干擾能力，即使有人利用較強的外部磁場(chǎng)使磁芯達到飽和以企圖篡改電能表時(shí)，電源也不會(huì )受其影響。

　　D1到D4的二極管用于對AC輸入進(jìn)行整流。電容C1和C2對整流的DC進(jìn)行濾波。電感L1、C1和C2組成一個(gè)π型濾波器，對差模傳導EMI進(jìn)行衰減。通過(guò)開(kāi)/關(guān)控制，U1可跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期，并可根據饋入到其FB引腳的電流對輸出電壓進(jìn)行調節。當流入此引腳的電流超過(guò)49mA時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)低邏輯電平(禁止)。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，都會(huì )對FB引腳狀態(tài)進(jìn)行采樣；如果為高電平，功率MOSFET會(huì )在那個(gè)周期導通(啟用)，否則功率MOSFET將仍處于關(guān)閉狀態(tài)(禁止)。

　　穩壓二極管參考VR1(3.9V)及U2(1.1V)LED上的電壓總和決定了輸出電壓。電阻R3為VR1提供偏置恒流，以使VR1在測試電流下工作。

　　篡改開(kāi)關(guān)電源電能表的一個(gè)常用方法，就是用強外部磁場(chǎng)進(jìn)行干擾。該磁場(chǎng)會(huì )耦合到變壓器的磁芯并使磁芯達到飽和。如果換作其它解決方案，在出現上述情況時(shí)，MOSFET將會(huì )因為過(guò)流而出現破壞性故障。而采用Power Integrations的器件后，快速限流元件將對內部MOSFET提供保護，但輸出端電壓將失去穩定，從而使電能表停止工作。圍繞這一難題，一些解決方案應運而生?？招淖儔浩鞅闶瞧渲械囊粋€(gè)解決方案，它永遠不會(huì )飽和，但卻需要大量的繞線(xiàn)圈數。結果帶來(lái)高銅芯損耗和漏感，這樣會(huì )極大地降低效率(約為20%)。如果變壓器的外殼采用可防止磁芯產(chǎn)生磁通和飽和的磁屏蔽材料，則可使用標準的鐵氧體變壓器。這無(wú)疑增加了成本和復雜程度，因為每種新設計都需要自定義各自的屏蔽性。

　　本設計通過(guò)使用帶有分布氣隙的高磁阻壓粉鐵芯材料代替鐵粉芯來(lái)解決上述問(wèn)題。這種磁芯具有較低的相對磁導率(m，介于10~35之間)。與鐵氧體(磁通密度4000高斯，0.4T)相比，壓粉鐵芯具有更高的飽和磁通密度(15000高斯，1.5T)，飽和特性更弱。

　　使用強電磁體和稀土永磁對磁化率進(jìn)行了檢測。將磁鐵的一端直接放于磁芯的頂端，未發(fā)現磁芯飽和。

　　設計要點(diǎn)

　　●使用PI Xls設計變壓器。要設計飽和的變壓器，需要輸入60%的變壓器公差。在飽和或接近飽和時(shí)，初級側電感壓降以及高公差數字可確保有足夠的電感值維持功率輸出。
　　●由于磁芯的磁阻較高，因此繞線(xiàn)圈數較多。但這也有一定的好處，即工作磁通密度非常低(400高斯)，使得磁芯飽和有非常高的裕量。
　　●確保在飽和狀態(tài)下，滿(mǎn)載峰值漏極電流和最大輸入電壓低于數據手冊中規定的最大電流。
　　●要降低磁芯損耗，應將可工作的AC磁通擺幅限制在300高斯或更少。這意味著(zhù)峰值磁通密度應保持在600高斯以下。

　　設計總結

　　使用此電路設計的電表電源成本低、使用的元件數量少。它采用壓粉鐵芯材料，增強了防篡改保護功能。此設計的工作磁通密度較低(400高斯)，降低了磁芯損耗(40mW)。無(wú)需大容量輸出電容或第二個(gè)較高的輸出電壓，并可滿(mǎn)足符合EN55022B傳導EMI限制，EMI裕量>6dBmV。在滿(mǎn)載時(shí)電源的效率達到58%。