智能电表：采用 LM5017 实现 1‰纹波输出

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1 引言
          近年来，中国国家电网智能化改造非常迅猛。2013 年，中国国家电网公司推出新一代的智能电能 表系列标准。在新标准中，对电源供电的规格提出新的要求。
           
          其中，智能电表中的载波通信(PLC)模块供电规格，要求最为严格。新标准要求智能电表通信载波 模块供电 12V Vcc，在满载时的输出电压纹波要小于 1‰（单相智能表的满载电流是 125mA，三相 智能表的满载电流是 400mA）。
           
          图 1 是常用的三相智能表电源架构。从电源架构上看，智能表通过线性交流变压器+整流桥的方 式，将 220Vac 降到较低的直流电压。由于智能表需要有抗接地故障抑制能力(按国网标准，要求在 2 倍额定电压的情况下，电能表不能损坏)，其输入电压范围通常较宽一般需要 0.8 倍~2 倍的额定电 压。
           

       
        图 1. 常用国网 3 相电表电源架构

           
         
        TI 的 LM5017，是新一代高压同步变换器。其输入电压范围是 7.5V~100V，输出电流可以达到 600mA，非常适合在三相智能表中应用。
         
          2 纹波注入原理
        在新国网规范中，LM5017 需要面对的主要问题是：如何实现载波模块供电时的 1‰纹波输出。 LM5017 采用恒定导通时间控制(Constant On-time Control, COT)，其内部框图如图 2 所示。
         
        LM5017 通过 Ron 来设定固定的导通时间长度 Ton。当 FB 的电压低于 1.225V 时，内部的快速比较器触发 COT 控制逻辑模块输出固定的 Ton(控制管，即上管)。Ton 时间结束后，关断控制管，直到FB 的电压再次低于 1.225V。
           
          COT 控制的反馈是采用高速比较器来实现。为了保证高速比较器稳定工作，COT 对 FB PIN 的纹 波会有一定的要求，LM5017 要求 FB PIN 的最小纹波是 25mV。当 LM5017 的输出纹波需要满足国 网对载 波模 块输 入纹 波<1&permil; 的要 求时 ， 其 输出纹 波 经分 压电 阻 分 压后， 在 FB Pin 的纹波 为<1.2mV，远低于 LM5017 的需求，有可能导致 LM5017 工作不稳定。因此，需要外加纹波注入线 路，人为在 FB Pin 上产生一定的纹波，使其满足 LM5017 的需求。
         

       
        图 2. LM5017 内部框图

           
          图 3 是一种最小纹波的纹波注入电路。其通过 SW Pin 与 Vout 的电压在 Rr、Cr 上产生一个三角 波，其通过 Cac 注入 FB Pin。由于其不需要通过输出纹波来满足 FB pin 的 25mV 的要求，该线路 理论上可以达到输出零纹波。

       
       
        图 3. 最小输出纹波的纹波注入电路

         

          增加纹波注入电路之后，COT 模式环路稳定判定条件如下[1]：
         
          在实际电表应用中，整流桥之后的输出存在较大的低频交流纹波，其对输出纹波的影响非常大， 需要选择合适的纹波注入参数。
         
          3 参数设计
          三相智能电表的给通信载波模块供电时，DC-DC 变换器的规格如下：
       
        输入电压范围：18~50V(50V 为两倍输入耐压)， 220Vac 输入时，输入电压为 21V 左右。 输出：12V/400mA，输出电压纹波<12mV。
        开关频率：500kHz
          输出反馈电阻：RFB1 为 1.2kohm，RFB2 为 10.5kohm
           
          3.1 输出电感选择
          设输出电压上的纹波电流为 100mA，正常输入电压在 21V 左右，则输出电感为：
         
          L1 选择为 100uH 电感。在此采用 TDK 的 SLF10145T-101M1R0，DCR 为 0.2ohm。该电感在 19V 输入时，输出电流纹波为：
         
           
          3.2 输出电容选择
          输出开关纹波为 6mV(考虑一定的裕量)，输出电容采用瓷片电容。式 5 是计算恒定负载条件下， 满足输出最大允许纹波的最小输出电容值。
         
          因此，输出电容选择 10uF 瓷片电容。瓷片电容的 ESR 一般在 2mohm 左右，此应用中电容 ESR 对输出纹波电压的影响可以忽略不计。在实际线路中，为了降低输入低频纹波对输出的影响，输出 电容在 10uF 瓷片电容的基础上，还并了一个 330uF 的电解电容。
           
          3.3 Cr, Rr 选择
          当 Cr*Rr=L/DCR 时，注入的纹波等于电感 DCR 产生的纹波。当 Cr*Rr>L/DCR 时，注入的纹波 小于电感 DCR 产生的纹波。反之，当 Cr*Rr<L/DCR 时，注入纹波大于 DCR 产生的纹波。
          电感 DCR 产生的纹波，可以由式 6 得到：
         
          需要注入最小纹波为 25mV，则
         
       
        需要满足 COT 模式，环路稳定的判据：
         
          则 Cr 选 3300pF，Rr&le;137kohm。此处，Rr 实际选择为 100kohm。
           
          3.4 Cac 选择
          Cac 是为了除去 Cr 上的直流电平。从实验上看，Cac 不能太大，Cac 过大，输出电压的线性调整 率会变差。同时，当输入电压有低频波动时，输出电压上也会产生类似的低频波动，导致输出电压 纹波过大。根据 COT 模式，环路稳定的判据，可得：
         
          因此，Cac 选择为 470pF。
         
          4 实验验证
        实验线路是按图 4 的参数，在 LM5017 的 EVM 板进行修改。 在实际电表应用中，整流桥之后的输出电压存在低频交流纹波。恶劣情况下，DC-DC 变换器的输入电压低频交流纹波峰-峰值可能达到 0.8V 左右。在实验中我们采用直流电源的 VRAMP 功能，在直流电平上产生一个交流三角波，来模拟实际电表中出现的情况。

       
        图 4. LM5017 原理图(12V@400mA)

           
         
        从实验上看，Cac(C3)与 Rr(R1)值的大小，对输出低频交流纹波有较大的影响。Cac 越大时，输 出低频纹波越大。Rr 值越小，输出低频纹波越大。
           
          图 5~图 8 的测试条件为：输入电压 21V(交流分量的峰峰值为 0.8V)，输出为 12V@400mA。如图 5、图 6 所示，当 Cac 为 0.1uF、10nF 时，输出纹波的峰峰值(含低低频分量)为 21.2mV、
        20.4 mV。在相同的外围参数的情况下，将 Cac 改为 470pF，如图 7 所示，输出纹波的峰峰值降为
        10.8mV。
         
       
        如图 8 所示，与图 7 相比，Rr 降为 49.9kohm，其输出纹波的峰峰值增大到 14.4mV。
           

       
        图 5. Cac 为 0.1uF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)

       
       
        图 6. Cac 为 10nF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)

       
       
        图 7. Cac 为 470pF 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)
       
       
        图 8. Rr 为 49.9kohm 时，输入、输出电压纹波(400mA 输出，Cac 为 470pF，Cr 为 3300pF)

       
       
        图 9. 不同 Cac 的输入线性调整率(400mA 输出，Rr 为 100kohm，Cr 为 3300pF)

           
          图 9 是在不同 Cac 时的输入线性调整率比较，其测试条件为：输入电压是直流电压，输出电流为400mA，Rr 为 100koh，Cr 为 3300pF。从图中可看出 Cac 越小，输出电压的线性调整率越好。
           
          5 总结
          LM5017 可以通过适当的纹波注入参数的选择，可以实现载波模块供电时的 1&permil;纹波输出。按本 文给出的纹波注入参数的计算方式，与实际测试非常吻合。

李小路

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