智能电表的高能效电源解决方案

智能电表电源的中心议题：
    * 电表的电源管理功能
    * 智能电表的典型要求
智能电表电源的解决方案
    * 使用LNK623PG器件设计的3.8 W多路输出电源

新出现的“智能电网”概念正快速赢得全球电力供应商的青睐。面对在降低温室气体排放的同时提高基础设施利用效率的需求日益增强的情况，电力企业正通过智能电网对电力配用进行智能控制和监测。电力供应商希望此举能够大幅降低能源消耗，并提升发电容量的使用效率。

智能电网的目标是让全天的耗电量达到均衡状态，并通过可变充电方案来改变用户的用电行为或通过直接控制消费者的设备，从而达到降低峰值负载的目标。电网负载达到平衡后，电力企业可以更有效地管理其发电及输送容量，进而降低排放和避免供电中断。

智能网络的核心设备是智能电表。智能电表远远优于标准（非智能）电表的地方是，它可以同时与电力供应商和消费者进行通信，提供有关电力消耗和成本的实时信息。电力企业可以借助智能电表实施各种控制及奖励计划（例如，基于峰值电网负载的实时可变定价）。通过家庭能耗显示屏或“生态面板”(eco-panel)等功能，消费者会在达到峰值负载率时收到警告。消费者可以据此作出明智选择，推迟使用洗衣机或干衣机等高能耗电器，直到电价下降时再使用。

根据设想，智能电表将成为家庭信息网络内的中心设备，负责收集来自智能电器的数据，并与电力供应商进行通信（见图1）。智能电表中的通信处理和安全功能必须兼具灵活和可升级的特点。电表的电源管理功能和实现最大用电效率至关重要。电表电源必须具有较宽的动态工作范围，能够在传输数据或执行其他功能时对不断变化的要求做出快速响应。这就需要精心设计功率电路。


图 1. 智能家庭自动化网络

智能电表的技术要求可以千差万别，但有些要求是在所有应用中都必须满足的。这些要求包括：电流限制、热关断、自动故障恢复、降低电磁干扰(EMI)、高效率以及极低的待机功耗。这些要求意味着必须使用开关电源，即使是功耗极低的应用也不例外。Power Integrations (PI)是一家提供适用于智能电表应用的一系列SMPS控制器的生产商。所有控制器都包含一个700 V功率MOSFET，它在一个芯片上集成了全面的控制及保护电路。

对于给定应用，可以使用不同的产品，但总有一款产品因其特定特性而更适合该应用。PI已使用其LinkSwitch和TinySwitch产品系列开发出了多个电表应用方案。对于设计师来说，有多个选择可以考虑。大部分应用都将要求使用隔离电源，此时可以采用反激式转换器，但对于成本更低的非隔离设计来说，可以采用使用LinkSwitch-TN设计的降压式转换器。如果对稳压有严格要求(±2%)，则需要在反激控制环路中使用一个光隔离器。可以采用LinkSwitch-XT实现无箝位设计，因为它同时具有±2%恒压和±5%恒流特性。如果±5%的电压调整率可以接受，那么在采用初级侧调节且无需光耦器的设计中，可以省去大量元件。在这方面，LinkSwitch-CV更适合功率输出介于1W到8.5W的低功率设计。对于最高达28 W的较高功率应用，则可采用TinySwitch系列器件。

智能电表的典型要求是在85至265VAC下提供5V和12V的多路输出，同时效率满足加州能源委员会(CEC)/ENERGY STAR EPS v2的要求，且传导EMI满足CISPR22B/EN55022B要求。图2显示的是一个满足这些要求的电源设计范例¹。



图2. 使用LNK623PG器件设计的3.8 W多路输出电源的电路图

该电路在初级侧控制反激电路中采用了一个LinkSwitch-CV开关控制器(U1)²。该电路的保护功能包括控制环路开环/短路故障自动重启动、输出开路故障自动重启动以及迟滞热关断。封装中高压引脚与低压引脚之间的爬电距离非常大，可防止在潮湿环境中产生电弧。对于设备经常处于不受控制的条件下的电表应用来说，这一点非常重要。

在反激电路的初级侧，U1中的700 V MOSFET通过T1的1 3绕组对初级电流进行开关。RCD-R箝位电路（由D5、R3、R4和C3形成）用于限制漏感引起的漏极电压尖峰。U1采用独特的ON/OFF控制方案，对输出特性进行恒压(CV)调整。初级侧控制由变压器上的反馈绕组所检测的输出提供，并应用到U1的FB引脚。U1的开关根据流入FB引脚的电流大小进行控制。通过这种方式，可以对输出电压进行有效的闭环控制，而无需任何次级侧控制或光耦器。pi (π)型滤波器（L1、L2、C1及C2）可降低传导差模EMI；该电路具备抗浪涌能力，其设计满足IEC950和UL1950 Class II安全要求。

虽然所用元件数极少。但仍可在满幅输入电压和负载范围内在5V输出上取得±5%的调整率，在12V输出上取得±10%的调整率。

智能电表的安装和在智能电网中的使用正在不断扩大。它们的使用能够对未来提高电能的配送和利用效率作出非常巨大的贡献。在未来数十年中，将会有大量的智能电表在全球范围内安装部署，在材料使用和功率消耗方面所取得的任何节省，都有助于提高它们的效能和加快它们的普及应用。PI所开发的智能电表电源设计能够所有电表应用提供有效的基础。

有关智能电网电表应用的更多信息，请访问Power Integrations的应用网页：www.powerint.com/smart-grid-metering。

参考文献

1. DER-213 Design Example Report: 3.8 W 2-Output Supply Using LNK623PG, Power Integrations Inc.
2. LNK623-626 LinkSwitch-CV Family: Energy-Efficient, Offline Switcher with Accurate Primary-side Constant-Voltage (CV) Control, Power Integrations Inc.

关于作者

Silvestro Fimiani是Power Integrations (PI)公司电器及工业应用领域的产品营销经理。在2005年加盟PI之前，Silvestro担任International Rectifier高功率产品工程总监。他拥有意大利那不勒斯大学物理学学士学位。