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基于ICE3AR2280JZ芯片的三相开关电源方案解析
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2017-11-16
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背景：
智能电表是智能电网的智能终端，除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用它还具有用电信息存储、双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。减低智能电表自身功耗，提高其运行能效已成为当前智能电表的重要环节。开关电源不同于智能电表中的其他器件，规模化、标准化生产或将是提高品质、降低生产成本、优化生产工艺。虽然智能电表用开关电源已经获得重视，然而国内在开关电源的发展上，还存在基础理论欠缺、产业水平跟不上需求、生产工艺不成熟等诸多问题。另外开关电源引发的炸表现象一直也是困扰和阻碍其广泛应用的重要原因之一。其他原因还有，长期工作的可靠性等。目前国内智能电表用电源依旧以传统工频变压器为主，而国外一些产品已经逐步使用了开关电源。主要的原因是电表功能加强后，供电功率要求增加，工频变压器很难胜任。同时，考虑到安装及运输成本，开关电源会有具备很大优势。
三相智能电表的内部电源结构：
智能电表中开关电源的要求：
本文仅针对几个重要的要求提出解决方案：
极宽输入电压范围
多路输出调整率
各类异常
层叠式普通反激方案：
对于常规输入电压（85Vac-265Vac）的小功率开关电源应用，综合效率及成本，反激拓扑最为常见。结构上可以采用控制器配外置的开关器件，或者考虑集成度，也有集成控制器和开关器件于一个封装。开关器件的耐压等级通常为650V，700V和800V.如果对于三相应用，考虑到变压器的反射电压及漏感和设计余量，该类器件无法满足要求。而单纯采用一个高压开关器件，如1000V或1200V以上的功率开关器件，挑选余地并不大，成本也较高。因此，在三相电表中考虑的第一个设计问题就是如何解决高输入电压下的耐压问题。
以一个具体规格为例进行说明：
规格：
由于多路输出和小功率输出的特点，电源拓扑选择反激较为合适。本文中控制芯片为英飞凌ICE3AR2280JZ.其内部除了工作频率为100KHz的电流模式控制器外，还集成了800VCoolMOS，导通电阻为2.2ohm，封装为DIP7.该芯片内部同时集成了800V的高压启动单元。在环境温度为50度，常规宽电压输入（85Vac-265Vac）情况，最大输入功率可达28W.同时，芯片还具有过流、过压、输入欠压、过温等保护功能和提高轻载效率的突发模式。鉴于小功率应用，变压器尺寸及环路补偿等因素，通常建议系统在全负载段工作于电流断续模式（DCM）。
智能电表是智能电网的智能终端，除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用它还具有用电信息存储、双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。减低智能电表自身功耗，提高其运行能效已成为当前智能电表的重要环节。开关电源不同于智能电表中的其他器件，规模化、标准化生产或将是提高品质、降低生产成本、优化生产工艺。虽然智能电表用开关电源已经获得重视，然而国内在开关电源的发展上，还存在基础理论欠缺、产业水平跟不上需求、生产工艺不成熟等诸多问题。另外开关电源引发的炸表现象一直也是困扰和阻碍其广泛应用的重要原因之一。其他原因还有，长期工作的可靠性等。目前国内智能电表用电源依旧以传统工频变压器为主，而国外一些产品已经逐步使用了开关电源。主要的原因是电表功能加强后，供电功率要求增加，工频变压器很难胜任。同时，考虑到安装及运输成本，开关电源会有具备很大优势。
三相智能电表的内部电源结构：
智能电表中开关电源的要求：
本文仅针对几个重要的要求提出解决方案：
极宽输入电压范围
多路输出调整率
各类异常
层叠式普通反激方案：
对于常规输入电压（85Vac-265Vac）的小功率开关电源应用，综合效率及成本，反激拓扑最为常见。结构上可以采用控制器配外置的开关器件，或者考虑集成度，也有集成控制器和开关器件于一个封装。开关器件的耐压等级通常为650V，700V和800V.如果对于三相应用，考虑到变压器的反射电压及漏感和设计余量，该类器件无法满足要求。而单纯采用一个高压开关器件，如1000V或1200V以上的功率开关器件，挑选余地并不大，成本也较高。因此，在三相电表中考虑的第一个设计问题就是如何解决高输入电压下的耐压问题。
以一个具体规格为例进行说明：
规格：
由于多路输出和小功率输出的特点，电源拓扑选择反激较为合适。本文中控制芯片为英飞凌ICE3AR2280JZ.其内部除了工作频率为100KHz的电流模式控制器外，还集成了800VCoolMOS，导通电阻为2.2ohm，封装为DIP7.该芯片内部同时集成了800V的高压启动单元。在环境温度为50度，常规宽电压输入（85Vac-265Vac）情况，最大输入功率可达28W.同时，芯片还具有过流、过压、输入欠压、过温等保护功能和提高轻载效率的突发模式。鉴于小功率应用，变压器尺寸及环路补偿等因素，通常建议系统在全负载段工作于电流断续模式（DCM）。
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