高效率可防篡改的电表电源设计

高效率可防篡改的电表电源设计,Power Meter power supply

高效率可防篡改的电表电源设计

　　本文将介绍如何使用Power IIntegrations的LinkSwitch-XT产品系列来设计防篡改电表，并可在满载的情况下实现高效率。

　　图1所示的电路设计利用LNK363DN生成5V、150mA的隔离输出。这里所设计的变压器具有足够的电感量，能使电源提供所需的功率。变压器使用压粉铁芯，增强了抗外部磁场的干扰能力，即使有人利用较强的外部磁场使磁芯达到饱和以企图篡改电能表时，电源也不会受其影响。

　　D1到D4的二极管用于对AC输入进行整流。电容C1和C2对整流的DC进行滤波。电感L1、C1和C2组成一个π型滤波器，对差模传导EMI进行衰减。通过开/关控制，U1可跳过开关周期，并可根据馈入到其FB引脚的电流对输出电压进行调节。当流入此引脚的电流超过49mA时，将产生一个低逻辑电平(禁止)。在每个周期开始时，都会对FB引脚状态进行采样；如果为高电平，功率MOSFET会在那个周期导通(启用)，否则功率MOSFET将仍处于关闭状态(禁止)。

　　稳压二极管参考VR1(3.9V)及U2(1.1V)LED上的电压总和决定了输出电压。电阻R3为VR1提供偏置恒流，以使VR1在测试电流下工作。

　　篡改开关电源电能表的一个常用方法，就是用强外部磁场进行干扰。该磁场会耦合到变压器的磁芯并使磁芯达到饱和。如果换作其它解决方案，在出现上述情况时，MOSFET将会因为过流而出现破坏性故障。而采用Power Integrations的器件后，快速限流元件将对内部MOSFET提供保护，但输出端电压将失去稳定，从而使电能表停止工作。围绕这一难题，一些解决方案应运而生。空心变压器便是其中的一个解决方案，它永远不会饱和，但却需要大量的绕线圈数。结果带来高铜芯损耗和漏感，这样会极大地降低效率(约为20%)。如果变压器的外壳采用可防止磁芯产生磁通和饱和的磁屏蔽材料，则可使用标准的铁氧体变压器。这无疑增加了成本和复杂程度，因为每种新设计都需要自定义各自的屏蔽性。

　　本设计通过使用带有分布气隙的高磁阻压粉铁芯材料代替铁粉芯来解决上述问题。这种磁芯具有较低的相对磁导率(m，介于10~35之间)。与铁氧体(磁通密度4000高斯，0.4T)相比，压粉铁芯具有更高的饱和磁通密度(15000高斯，1.5T)，饱和特性更弱。

　　使用强电磁体和稀土永磁对磁化率进行了检测。将磁铁的一端直接放于磁芯的顶端，未发现磁芯饱和。

　　设计要点

　　● 使用PI Xls设计变压器。要设计饱和的变压器，需要输入60%的变压器公差。在饱和或接近饱和时，初级侧电感压降以及高公差数字可确保有足够的电感值维持功率输出。
　　● 由于磁芯的磁阻较高，因此绕线圈数较多。但这也有一定的好处，即工作磁通密度非常低(400高斯)，使得磁芯饱和有非常高的裕量。
　　● 确保在饱和状态下，满载峰值漏极电流和最大输入电压低于数据手册中规定的最大电流。
　　● 要降低磁芯损耗，应将可工作的AC磁通摆幅限制在300高斯或更少。这意味着峰值磁通密度应保持在600高斯以下。

　　设计总结

　　使用此电路设计的电表电源成本低、使用的元件数量少。它采用压粉铁芯材料，增强了防篡改保护功能。此设计的工作磁通密度较低(400高斯)，降低了磁芯损耗(<40mW)。无需大容量输出电容或第二个较高的输出电压，并可满足符合EN55022B传导EMI限制，EMI裕量>6dBmV。在满载时电源的效率达到58%。