如何解决智能电表电源设计面临的最大挑战

  智能电表是下一代电表，它们将取代仍在使用几十年前开发技术的现有电表。智能电表使用安全连接网络，将能源使用情况通过无线自动发送到公用事业公司。这意味着客户将不会再收到估计的电表账单，或让抄表员进入家中读表。

  与传统IR（红外线）和IrDA（红外线数据关联）界面相比，智能电表采用了更先进的通信界面；它们需要更多内存和更强大的微控制器。由于这些功能会导致能耗增加，因此必须使用开关型电源（SMPS），而不是电容液滴电源。单相电表的使用范围为交流100V至500V。三相电表为最低单相交流100V到各相300V。由于必须符合能效标准，特别是符合较低功耗要求，因此为SMPS设计人员带来了更多挑战，因为你不能因为电表使用的能源向客户收费。另一方面，智能电表使用的能源也不应该对公用事业带来无法接受的电力要求。

  由于受到全球范围内对电表进行篡改的影响，公用事业公司一直面临着相应的收入损失。自推出第一款电子电表以来，就有一些不道德的人试图通过改动电表进行偷电。他们为此想出了各种方法。因此电表篡改可能是智能电表电源设计人员必须应对的最重要的问题。大部分电源使用的都是铁氧体磁芯变压器，这种变压器虽然经济高效，但很容易受到几厘米以外稀土磁铁产生的强磁场的影响。当磁铁靠近变压器时，它会使变压器趋向饱和并产生过载，损坏开关（MOSFET/双极结型晶体管），从而破坏电源。如今使用的大部分电源控制器都有内置的集成过载保护功能。如果变压器趋向饱和，快速电流比较器会关闭开关以保护电源。但缺点是由于计量块失去供电，将会无法计量。但这是电表最重要的功能。为了在有人试图篡改时保持电表的持续运作，一种方法是用磁屏蔽材料对变压器进行屏蔽。但费用很昂贵，而且会增加组装成本——每个铁氧体磁芯变压器都需要屏蔽。

  另一种方法是在变压器中使用高磁阻压粉铁芯来替代铁氧体磁芯。压粉铁芯的磁通密度更高，为1.2-1.4特斯拉，而铁氧体磁芯仅为0.4-0.5特斯拉。与对变压器进行磁屏蔽相比，它的成本相对较低。但由于磁芯的损失较高，因此会对供电效率产生严重影响。但对于智能电表电源这种缺点可能会不太明显。

  根据使用的无线通信协议，智能电表的峰值功耗会跃升至1W-10W。

  sub 1 GHz的峰值功耗约为0.5W；ZigBee的峰值功耗约为1W，全球移动通信系统（GSM）的峰值功耗约为10W。

  但在大部分使用中，电表通常的耗电量不到1W。在确定电表的总功耗时，低/轻负载时的电源效率是至关重要的。电源设计人员会将较高的轻载效率作为目标。有几种方法可以提高在低/轻负载情况下的效率，例如降低开关控制器的静态电流，使用配备高压启动集成电路的初级侧控制器，或使用包含调频和调幅组合的开关控制器。降低开关频率，当负载降低时电流会减少磁芯损失，因此建议使用压粉铁芯变压器。

  在智能电表中，必须采用高工作电压，以防止将单相电表意外连接到两相（交流500V）或各相为交流300V 的三相电表上。但这种高压会增加电力复杂性、组件数量和成本。

  反激拓扑是智能电表电源设计中最简单和最经济的拓扑设计。在反激拓扑中，开关组件必须经受1000V的电压。直流730V（交流300V *√3 *√2）加上直流220V钳位电压以及由于缓冲器二极管传导延迟造成的直流50V过冲。在假设降低定额值为15%的情况下，开关组件的额定电压应当为1200V。开关转换器（带内置700V/800V MOSFET）在共源共栅配置中使用另一个500V MOSFET，以满足1200V的要求。另一项低成本技术使用配有开关控制器的单1200V BJT提供高压保护。电压和电流等级相同的BJT成本价格仅为MOSFET的三分之一。

  因此，最佳SMPS设计应当是压粉铁芯变压器，通过控制开关转换器应对轻载效率和共源共栅结构，以承受高输入电压。

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审核编辑：符乾江