高效率可防篡改的電表電源設(shè)計

本文將介紹如何使用Power IIntegrations的LinkSwitch-XT產(chǎn)品系列來設(shè)計防篡改電表，并可在滿載的情況下實現(xiàn)高效率。

　　圖1所示的電路設(shè)計利用LNK363DN生成5V、150mA的隔離輸出。這里所設(shè)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，增強了抗外部磁場的干擾能力，即使有人利用較強的外部磁場使磁芯達到飽和以企圖篡改電能表時，電源也不會受其影響。

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

　　穩(wěn)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。

　　篡改開關(guān)電源電能表的一個常用方法，就是用強外部磁場進行干擾。該磁場會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(xiàn)上述情況時，MOSFET將會因為過流而出現(xiàn)破壞性故障。而采用Power Integrations的器件后，快速限流元件將對內(nèi)部MOSFET提供保護，但輸出端電壓將失去穩(wěn)定，從而使電能表停止工作。圍繞這一難題，一些解決方案應(yīng)運而生?？招淖儔浩鞅闶瞧渲械囊粋€解決方案，它永遠不會飽和，但卻需要大量的繞線圈數(shù)。結(jié)果帶來高銅芯損耗和漏感，這樣會極大地降低效率(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。這無疑增加了成本和復(fù)雜程度，因為每種新設(shè)計都需要自定義各自的屏蔽性。

　　本設(shè)計通過使用帶有分布氣隙的高磁阻壓粉鐵芯材料代替鐵粉芯來解決上述問題。這種磁芯具有較低的相對磁導(dǎo)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行了檢測。將磁鐵的一端直接放于磁芯的頂端，未發(fā)現(xiàn)磁芯飽和。

　　設(shè)計要點

　　●使用PI Xls設(shè)計變壓器。要設(shè)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，初級側(cè)電感壓降以及高公差數(shù)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，因此繞線圈數(shù)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，滿載峰值漏極電流和最大輸入電壓低于數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的最大電流。
　　●要降低磁芯損耗，應(yīng)將可工作的AC磁通擺幅限制在300高斯或更少。這意味著峰值磁通密度應(yīng)保持在600高斯以下。

　　設(shè)計總結(jié)

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