CN102798756B - 一种智能电表的电源电路及三相智能电表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电表的电源电路，包括功率输出控制电路、降压电路、开关控制电路和充电电路，所述降压电路的输入端和输出端分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路。本发明还公开了具有此电源电路的三相智能电表，三相智能电表利于上述电源电路可以在保证电表一直在工作电路正常工作时所需的电流同时，最大化地利用电源电路提供的每毫安电流。

Description

一种智能电表的电源电路及三相智能电表

技术领域

本发明是关于仪器仪表技术领域，更特定言之，本发明是关于一种智能电表的新颖电源配置，并进一步关于具有此类电源配置的三相智能电表。

背景技术

目前，电表制造企业在电表的实际设计和应用中，一般采用变压器+整流桥+稳压芯片的方式（以下简称变压器电源方案）对电表进行供电，此种电源方案也是目前电能表制造企业反复研究和改进的最成熟的电源方案。但是，变压器电源方案存在着体积大、消耗铜材多、重量大、电压频率规格多、变压器不通用等缺点。

同时，在电表设计时，为了满足70%～115%Un的正常工作范围要求，电能表整表的功率需求PIN应小于电源部分电路在输入电压为70%Un时能提供的最大功率，因此就造成电能表的输入电压在70%Un以上时，电源提供的剩余电流需要使用稳压二极管进行分流，否则这部分电流就完全浪费掉，没有得到任何有效利用。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的缺陷，提出一种新颖电源方案，并且提出一种降压电路，同时利用一种带功率输出控制的降压电源方案来继承传统电源方案的特性，即利用恒流源性质的电源，并具有功率输出控制，因此可以在保证电表一直在工作电路正常工作时所需的电流同时，最大化地利用电源电路提供的每毫安电流。

本发明又在所主张的电源方案基础上实现一种三相智能电表，此电表在有效利用电源的同时，省却了供电电池，简化了电表内部电路接线，以进一步缩小整表的体积和成本。

本发明的技术效果是通过以下技术方案来实现的：

一种智能电表的电源电路，其特征在于：包括功率输出控制电路、降压电路、开关控制电路和充电电路，所述降压电路的输入端和输出端分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路。

进一步地，所述降压电路包括自输入端至输出端相互并联的RC电路，自输入端分别与这些电路并接的压敏电阻和抑制二极管，以及连接于RC电路与输出端之间的稳压电路；或者

所述降压电路包括自输入端至输出端依次电连接的RC电路、对流二极管和电容，自输入端至输出端依次电连接的TVS管、电阻、三极管和对流二极管。

进一步地，所述开关控制电路包括一个控制芯片，它电连接至降压电路的输出端，并包括一个充电电路，所述充电电路的输出端接入功率输出控制电路；或者

所述开关控制电路包括一个控制芯片和与之电连接的一个隔离输出电路，并进一步包括一个充电电路，所述充电电路的输出端接入功率输出控制电路。

进一步地，所述功率输出控制电路包括相互并接的脉冲输出电路、抑制电路和泄流电路。

进一步地，所述电表电源电路所产生的功率满足关系式PMAX=UTVS·IMAX，其中UTVS为降压经过抑制电路钳位后的输出电压，PMAX为降压在外部交流电压输入下最大输出电流IMAX时的最大输出功率。

进一步地，IMAX=I1+I2+I3+I4+ID，其中I1为电表的工作电流，I2为分配至拉合闸电容的充电电流，I3为分配至充电电路的充电电流，I4为泄流电流，且ID为电表电源电路的旁路电流。

进一步地，当拉合闸电容充满电后，I2为零，当充电电路充电结束后，I3为零。

同时，本发明提出一种三相智能电表，它包括一个电表本体，在所述电表本体内部设有若干个接线端、处理器、显示电路、通讯电路和存储器，并通过所述接线端来接设于电网供电线与电网用户负载之间，其特征在于：进一步设有如权利要求1所述的电表电源电路、3个采集电路和3个计量芯片，其中所述接线端分别连接至采集电路和电表电源电路，所述采集电路电连接至计量芯片，所述处理器分别与计量芯片、电源电路、显示电路、通讯端和存储器电连接。

进一步地，所述接线端是以对称式接线方式加以设置。

进一步地，所述采集电路包括锰铜分流电路和隔离传感器，所述接线端连接至锰铜分流电路的输入端，所述锰铜分流电路的输出端接入隔离传感器。

进一步地，所述电表本体包括相互配合封围的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体界定了用于连接电网电力线和电网用户负载的接线端。

进一步地，所述上壳体和下壳体分别设有相互吻合的锯齿状配合部。

进一步地，所述锯齿状配合部的锯齿夹角为113°。

进一步地，所述锯齿状配合部的锯齿横向长度为4.5mm，纵向宽度为1.5mm。

本发明可以在保证电表一直在工作电路正常工作时所需的电流同时，最大化地利用电源电路提供的每毫安电流。

附图说明

本发明的有益效果将通过参照附图的方式加以详尽描述，图中的相同或相似标记代表相同功能元器件，其中

图1为作为本发明电源电路的第一优选实施例的电路示意图；

图2为作为本发明电源电路的第二优选实施例的电路示意图；

图3为本发明电源电路的功率输出控制电路的电路示意图；

图4为本发明三相智能电表的电路结构原理图；

图5为本发明三相智能电表的接线端结构原理图；

图6为本发明三相智能电表的外部结构原理示意图；

图7为作为本发明优选实施例的上表壳与下表壳间的连接关系示意图；

图8为图3左半侧部分放大图；

图9为图3中右半侧部分放大图。

具体实施方式

参照图1，在本发明智能电表的电源电路的第一实施例中，电源电路100包括功率输出控制电路、降压电路110和开关控制电路120，所述降压电路的输入端UA、UB、UC、UN和输出端VIN分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路。

进一步地，所述降压电路110包括自输入端UA、UB、UC至输出端DCVIN相互并联的RC电路111，自输入端UN分别与这些RC电路并接的压敏电阻MOV1、MOV2、MOV3和抑制二极管D13、D17、D18，以及连接于RC电路与输出端VIN之间的稳压电路112。

进一步地，所述开关控制电路120包括一个控制芯片121，优选为一个MP2451芯片，它电连接至降压电路110的输出端DCVIN，并包括一个充电电路122，所述充电电路122的输出端V3P3S接入功率输出控制电路。

参照图2，在本发明智能电表的电源电路的第二实施例中，以一种单相智能电表为例，电源电路100包括功率输出控制电路、降压电路110’和开关控制电路120’，所述降压电路的输入端UA、UB、UC、UN和输出端VIN分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路。

进一步地，所述降压电路包括自输入端UA至输出端DCVIN依次电连接的RC电路111’、对流二极管D4和电容E1，自输入端UN至输出端DCVIN依次电连接的TVS管D6、电阻R8、三极管Q1和对流二极管D5。

进一步地，所述开关控制电路包括一个控制芯片121’（优选为MP2451芯片）和与之电连接的一个隔离输出电路123’，并进一步包括一个充电电路122’，所述充电电路122’的输出端V3P3S接入功率输出控制电路。

进一步参照图1和图2，在本发明智能电表的电源电路的第三实施例中，电源电路100包括功率输出控制电路、降压电路110和开关控制电路120，所述降压电路的输入端UA、UB、UC、UN和输出端VIN分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路。

进一步地，所述降压电路110包括自输入端UA、UB、UC至输出端DCVIN相互并联的RC电路111，自输入端UN分别与这些RC电路并接的压敏电阻MOV1、MOV2、MOV3和抑制二极管D13、D17、D18，以及连接于RC电路与输出端VIN之间的稳压电路112。

进一步地，所述开关控制电路包括一个控制芯片121’（优选为MP2451芯片）和与之电连接的一个隔离输出电路123’，并进一步包括一个充电电路122’，所述充电电路122’的输出端V3P3S接入功率输出控制电路。

在本发明智能电表的电源电路的第四实施例中，在本发明智能电表的电源电路的第一实施例中，电源电路100包括功率输出控制电路、降压电路110和开关控制电路120，所述降压电路的输入端UA、UB、UC、UN和输出端VIN分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路。

进一步地，所述降压电路包括自输入端UA至输出端DCVIN依次电连接的RC电路111’、对流二极管D4和电容E1，自输入端UN至输出端DCVIN依次电连接的TVS管D6、电阻R8、三极管Q1和对流二极管D5。进一步地，所述开关控制电路120包括一个控制芯片121，优选为一个MP2451芯片，它电连接至降压电路110的输出端DCVIN，并包括一个充电电路122，所述充电电路122的输出端V3P3S接入功率输出控制电路。

参照图3，本发明电源电路的功率输出控制电路包括脉冲输出电路810、抑制电路I820、抑制电路II830和泄流电路840，所述脉冲输出电路810分别与抑制电路I820、抑制电路II830和泄流电路840电连接。

如图3、图8和图9所示，脉冲输出电路810通过其输入端U5V连接至充电电路122’的输出端V3P3S，且通过一个功能控制端ISENSE接入一个电表的一个处理器，优选为一个单片机电路。单片机对电路的电流流向及电流大小会进行控制。在图3中，脉冲输出电路通过三极管Q2和一个输出端UTVS连接至泄流电路840，并通过三极管Q5和另一个输出端UOUT2分接至抑制电路I820、抑制电路II830。功能控制输入电压优选地通过两个放大器U1A和U1B输入至三极管Q2。

进一步地，抑制电路I820包括相互连接的两个三极管Q3和Q4，抑制电路I820主要用于对电表的继电器拉合闸电容是否进行充电和放电进行判断和控制。

进一步地，抑制电路II830优选地设有单片机U2，并利用一个二极管D10、电容C7和一个限流电容E3主要作为缓冲电路，即两个抑制电路820与830之间是非同时工作的。

进一步地，泄流电路840优选地包括四个放大器U1D、U1E、U1F和U1C以及两个三极管Q6和Q7，并通过其输出端MVDD进行泄流。

进一步地，所述电表电源电路所产生的功率满足关系式P_MAX=U_TVS·I_MAX，其中U_TVS为降压经过抑制电路I820、抑制电路II830钳位抑制后的输出电压，P_MAX为降压电路在外部交流电压输入下最大输出电流I_MAX时的最大输出功率。

进一步地，I_MAX=I₁+I₂+I₃+I₄+I_D，其中I₁为电表的工作电流，I₂为分配至电表继电器的拉合闸电容的充电电流，I₃为分配至充电电路122的充电电流，I₄为泄流电路840产生的泄流电流，且I_D为电表电源电路的旁路电流（图中未绘示出）。

进一步地，如前所述的，抑制电路I和II是异步工作的，即当拉合闸电容充满电后，I₂为零，当充电电路充电结束后，I₃为零。

参照图4，本发明进一步在电表电源电路的基础上提出一种三相智能电表，它包括一个电表本体，在所述电表本体内部设有若干个接线端、处理器400、显示电路500、通讯电路600和存储器700，并通过所述接线端来接设于电网供电线与电网用户负载之间，并进一步设有如前述技术方案所述的电表电源电路100、3个采集电路201、202和203和3个计量芯片301、302和303，其中所述接线端分别连接至三个采集电路201、202、203的输入端IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN和电表电源电路，所述每一相采集电路201、202和203电连接至计量芯片301、302和303，处理器400分别与计量芯片301、302和303、电表电源电路100、显示电路500、通讯电路600和存储器700电连接。

进一步地，通讯电路600可优选为一个485通讯电路，它能够与一个外部光通讯或无线通讯设备，例如PDA设备进行数据传输和交换。

进一步地，参照图5，所述接线端是以对称式接线方式加以设置。即，电网电力线的进线端LA、LB、LC和零线N与电表本体接出至用户负载的出线端OA、OB、OC和零线N是以中心轴电表本体中心轴线P对称的方式加以设置，这样可以达到节省材料和缩小电表本体体积和重量的技术效果。

进一步地，参照图4，所述采集电路201、202和203包括锰铜分流电路和隔离传感器U5、U6、U7，所述接线端连接至锰铜分流电路的输入端IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN，所述锰铜分流电路的输出端接入隔离传感器U5、U6、U7。

进一步地，参照图6，所述电表本体包括相互配合封围的上壳体10和下壳体20，所述上壳体10和下壳体20界定了用于连接电网电力线和电网用户负载的接线端。

进一步地，所述上壳体和下壳体分别设有相互吻合的锯齿状配合部11和21。

进一步地，参照图7，在本发明三相智能电表的优选实施例中，所述锯齿状配合部11或21的锯齿夹角为113°。

进一步地，所述锯齿状配合部11或21的锯齿横向长度为4.5mm，纵向宽度为1.5mm。

本发明所主张的这种锯齿状的技术方案是根据在技术实施过程中经过反复试验和测试得出的，首先，本发明的锯齿状配合部11和21的锯齿夹角设为90°至130°之间，锯齿状配合部11和21的锯齿横向长度设为3mm至6mm之间，纵向宽度设为1mm至3mm之间。采用这种技术方案的电表本体，在收到外界窃电行为时，其上下表壳10与20之间接合部分所受到的应力最小，且此种设计最为节省材料成本，同时避免了表壳接合部分的变形和磨损。

一般来说，在保证电表单片机部分有足够的输入电流I₁满足正常工作要求后，降压电源剩下的仅有十几毫安甚至几毫安的电流，那么如何利用这部分电流则是一个技术难题。这些看似无用的电流在经过本发明优选电路设计后，可以被有效利用起来。在本发明的一个优选实施例中，本方案采用采样电阻+74HC14非门电路芯片+DC/DC开关电源实现。74HC14（或74HC04）非门电路芯片是最常用，最适用的数字电路芯片，自身功耗在uA级，有6个非门；因其本身的高/低判断电压为常数的特性（比三极管的B级电压要好用），且输出功率可以达到20mA，可代替三极管（省去限流电阻）。此外成本很低，可以为整个电能表的降成本设计做贡献；使用此非门芯片后，在设计电源后端稳压电路时，可以使用其中剩下的几个非门电路代替常规的稳压芯片MC34063，节省更多成本。

以下将以具体表型为例，详细描述前述技术方案的若干种带功率输出控制的降压电源方案如何最大化利用每一毫安电流完成一些复杂功能。现有一款电能表，具备远程控制拉合闸（继电器）功能，并使用超级电容代替锂电池实现停电显示的供电。因此本发明降压电源方案的供电就分为四个部分，

P_MAX=U_TVS·（I₁+I₂+I₃+I₄+I_D）

U_TVS为降压经过TVS钳位后的输出电压。

P_MAX为降压在外部交流输入U下最大输出电流为I_MAX时的最大输出功率。

P_MAX=I_MAX·U_TVS

I_D为采样电阻和74HC14本身消耗的电流，属于固定损耗。

电源供电首先保证电表单片机部分正常工作所需的输入电流I₁。

使用恒流I₂对继电器拉合闸电路中的供电电容进行充电，充满电后即可根据单片机指令实现继电器拉合闸功能；在实际应用中花10S充满跟0.1s充满没有显著区别，充电时间略长不影响电能表拉合闸功能的实现，当前国际标准亦未要求电表一上电就立刻进行拉/合继电器；另外，当供电电容充满电后，则I₂为0。毫安级恒流充电是使用三极管+采样电阻的方式来实现的，不仅充电速度比直接加限流电阻的方式快；且不会像使用限流电阻一样随着电容电压的升高，充电电流会越来越小而造成原来分1mA或2mA给电容充电而最后只有0.1mA在充的情况，充电效率更高。

本表中采用超级电容代替锂电池实现电表的停电轮显供电。因电表不会长期处于停电状态，根据相关标准要求，超级电容充满电的时间可以长达2小时。电源供电将除前两部分用电外的所有剩余电流（I₃=I_MAX-I₁-I_D）都分配给了超级电容充电电路，同样是毫安级充电。为了充电效率更高和节约成本，本表采用了最常见的MC33063（或MC34063）DC/DC芯片+电感的方式组成降压电路实现对超级电容的充电。待超级电容充满电后，I₃也为0。

第四部分是TVS泄流电路，用于在超级电容和拉合闸供电电容都充满电时将多余电流I₄消耗掉，以免电压上升烧毁电源前端的稳压芯片。

通过以上的详细描述，可以看出此种带功率输出控制的降压电源方案可以在实现传统的降压电源方案为电能表单片机供电功能的同时，还可实现以下功能：

1、还可为拉合闸继电器的供电电容充电；且比起变压器电源方案为供电电容充电的情况，可实现在输入电压低至0.5Un时还能正常拉合闸继电器（变压器电源方案在0.5Un时无法正常拉合闸继电器）。

2、为超级电容充电，代替锂电池，传统的降压电源方案无法实现此功能。此种带功率输出控制的降压电源方案在多功能电能表中可广泛应用，且是非常有效的降成本电源方案。

本发明降压电路的第一实施例即一种降压型DC-DC电路。DC-DC电路输出功率P_out=P_in×效率。降压电路为恒流源形式，最大输出功率为I×U，其中I为恒流源的电流。比如常用的390nF电容，在230V,50Hz时输出电流为13mA。假如使用传统的线性稳压芯片，比如78L05（静态功耗2mA）在230V时可以获得5V，11mA的功率。HT7533(静态功耗2uA)可以获得3.3V13mA的最大输出功率。效率η满足关系式

$\mathrm{\η}=\frac{V_g{I}_1-(P+P_D+P_{L1}+P_{L2})}{V_g{I}_1}$

其中V_g为供给电表单片机的工作电压，P_D为旁路消耗功率。

本发明降压电路的另一个特点为输出电流同电压成正比，例如230V时输出13mA。70%Un电压时输出9.1mA。

本发明71M6543的3锰铜采样方案消耗功率大约为3.3V，20mA。当使用传统的降压+线性电源已经无法满足在84VAC下正常工作的需求。在84V,60Hz时可以输出5.7mA。

本方案采用芯片MP2451。静态电流远小于0.5mA，远优于传统的MC33063系列芯片的2mA。芯片最大工作电压36V，极限电压40V。为了获的最大输出功率，稳压二极管箝位电压取32V。芯片在20mA输出时可以获得85%效率。计算84V，60Hz下最大输出电流（输出3.3V）32×（5.7-0.5）×0.85/3.3=43mA。完全满足20mA的需求。最低输入电压可以达到45VAC。

71M6103隔离传感器在没用RS485需求情况下，降压相对变压器的优势：

1、输出电压和稳压二极管有关，而变压器和输入电压呈正比，在做1.9倍耐压试验中输出电压增加，往往需要增加稳压二极管箝位。当变压器输出功率大时输出能量大容易烧稳压二极管。变压器在上述要求中84V输出3.3V，20mA的情况下，230V输出达到9V以上，45V可以工作的话230V电压需要达到17V。而

2、输出功率和电压呈正比，而变压器输出功率P_out和电压U的平方呈正比P_out～U²。上述情况下84V输出3.3V，20mA的情况下，230V时输出20mA电压比9V高的多得多。

3、器件规格少：在非隔离电表中，这个降压电路可以使用在45V-240V，50Hz和60Hz电路中。而变压器每个电压，频率规格都需要几种变压器来使用，通用性基本为0。按照成本对比

降压方案：单相表：稳压二极管+电容＋电阻＋MP2451＋电感，

三相表：稳压二极管+3(电容＋电阻)＋MP2451＋电感

变压器：单相表：变压器+线性稳压芯片

三相表：3个变压器＋线性稳压芯片。

降压方案成本远低于变压器，当相数多时，变压器方案需要增加变压器，而降压方案只需要增加前级阻容，成本差距明显。

扩展：针对非隔离性祖荣降压电路来说。前面使用的为普通型的DC-DC电路中使用的芯片。耐压一般低于36V。另外还有72V耐压的DCDC芯片，经过降压后可以输出更高的电流。

前述已经描述在非隔离电路中使用降压电路。在现在常规使用的降压电路芯片中，部分的效率在10mA左右已经可以达到80%以上。因为电表方案中功耗一般在10mA左右，一般能在10mA输出情况下能达到80&以上效率的芯片不多，很多芯片往往要100mA以上才能达到80%以上，已经失去了意义。

本发明降压电路的另一种降压电路实施例：其拓扑输入电压可以高于输出电压，也可以等于或低于输出电压。而在降压这种输入电流有限，需要使用高输入电压经过DC-DC输出大电流的应用中只需要输入电压高于输出电压的应用。

本发明降压电路的技术方案同样适用于反激式电路（FLYBACK）。反激式电路在电表中主要使用的开关电源模块上和隔离电源上。适用本发明技术方案的反激式电路具有线路简单，输入范围宽的优点。

使用另一种降压电路作为隔离电源而非反激式这种已经很成熟的电路应用于降压中的隔离电源，主要的原因在于使用反激式电路在输出3.3V,10MA，485路输出5V，1-10mA的情况下效率只能达到30%左右。轻载效率，这个是令本领域技术人员使用电感的开关电源头痛的问题，至少在现有的半导体工艺和开关知识很难做到90%以上。本着尽量使用降压得到的每1mA的原则，使用另一种降压电路来做隔离电源在3.3V,10MA，485路输出5V，1-10mA（取5mA）的情况下效率可以达到65%。按使用390nF电容，2倍流电路，即为50Hz，230V情况下输出26mA的设计，箝位电压16V设计，最低工作电压可以达到50V，实际远优于使用1W左右的变压器（一般只能达到120V左右）。使用更高的箝位电压还可以达到更大的输出功率。

使用MP1542，看重其带EN引脚，可以做到控制输入电压达到一定电压时再启动，传统的MC33063不带EN引脚。最高频率可以达到1.3M，使用的高频变压器需要的匝数很少，有利于降低高频变压器的成本。但是其最大24V输入的有点低，要是使用36V最大输入的芯片可以得到的输出功率更大。

降压方案：单相表：电容＋电阻+2倍流电路＋MP1542＋高频变压器，

三相表：3(电容＋电阻)＋MP1542＋高频变压器。

变压器：单相表：变压器+整理+2路线性稳压芯片

三相表：3个变压器+整理+2路线性稳压芯片。

可见降压方案成本比变压器低，当相数多时，变压器方案需要增加变压器，而降压方案只需要增加前面的阻容，成本差距明显。

继电器作为一个负载的一些特点：

1：正常情形下不工作，需要拉闸时才进行动作。平时消耗的电流为0，拉闸时的电流可以达到100mA，200ms。

2：对输入电压有要求，例如9V的动作电压，若输入电压低于6V时便不能正常动作。最大电压一般情形下正常稳定。

再进一步描述变压器和降压在继电器拉闸电路中的特点

变压器：

优点：在额定电压时输出功率相对降压要大些，对储能电容的充电时间短。继电器动作时的电流由变压器和储能电容一起提供。

缺点：输出电压随输入电压变化，当输入电压降低时输出电压降低的更快（考虑单片机功率要求不变，变压器有内阻），需要宽范围拉闸时往往因为电压不够而不能顺利拉闸。

降压：

优点：输出电压不随输入电压变化。只要单片机能工作就能拉闸。比如以上的2个设计都可以设计到输入在45V时都可以拉闸，而变压器假如要在这个电压下也能拉闸电路就比较复杂。需要升压。

给降压电路加上485，继电器。降压作为恒流源性质的电路。电流I是恒定的，未被电表使用掉的电流通过稳压二极管或TVS白白浪费掉了。那么如何利用这部分电流，同时又要保证自身必须要一直工作的电路得到足够的电流。这就要采用功率输出控制电路。

本发明功率控制控制电路是利用好降压电路提供的每一毫安电流。使用采样电阻+比较器+开关来实现。但比较器常用的LM393又要浪费掉1mA电流，而且芯片本身需要成本，因此使用74HC14（或74HC04），这种具有非门特性的电路可以是最能体现优势的数字电路芯片。成本较低，自身功耗在uA级，有6个非门，可以代替三极管（同时省却了限流电阻）。利用本身的开启/关闭电压稳定（比三极管的B级电压要好用），输出功率可以达到20mA。波形发生电路可以使用74HC14。

而在本发明的优选实施例中，可以进一步使用三极管来替代多余的非门，以使得占用空间更小，本身价格可以进一步降低。

如何分配降压得到的十几毫安甚至几毫安的电流，首先必须保证单片机部分需要足够的输入电流来工作。继电器拉闸电路中的充电电容可以充的慢点，花10S充满跟0.1s充满实际使用时没什么区别。若要加快充电电容的充电速度，串联电阻较为复杂，因为随着电容电压的升高，充电电流会越来越小，充电时间就变长了。而这时设计初的例如分1mA或2mA给电容充电的最好发现只有0.1mA在用于充电。而把恒流充电电路设计连接则较为复杂。因此本发明使用三极管+采样电阻的方式进行恒流。这样使得充电速度明显加快，并且没浪费任何1mA的电流。

再通过加载超级电容（1F的或更高），充电时间如何可控，使用寿命如何更长？小电流横流充电是较好方法。前面的横流电路把除系统使用的电流都分配给了超级电容充电电路。为了充电最经济可靠，使用降压电路对超级电容进行充电，为了节约成本是使用常用的MC33063+电感。

同时，本发明基于之前详细描述的技术方案，提出一种具有新颖电源方案的三相智能电表，本发明的三相智能电表的优选实施方式为：

使用计度器代替传统的LCD或电子式显示器，这种方案成本最低，使用时间最长。计度器表在当前的技术领域需求两仍然较大。ADE7755和ADE7752是较为常用的单相电表和三相计度器式电表方案的计量芯片。

单相计度器式电表，使用锰铜取样+7755类芯片+降压供电。

三相计度器式电表，使用3个CT+ADE7752类芯片+降压供电。

当电流要求100A以上，并且需要抗直流分量时，CT显然不是首选的技术方案。那使用3个锰铜是国内成本最低的采样方案。

锰铜方案是不隔离的。如何在三相表中使用。本发明利用71M6543给出一个解决方案：电流采样使用独立的ADC电路，并且中间使用脉冲变压器供电加通讯。但是驱动计度器必须要5V驱动，那么还需要再增加5V电源和非门芯片。增个计度器方案成本比液晶方案还高。

采用3路计量芯片采集3路锰铜采样测得的功率，在通过隔离发给单片机是一个可行的方案。这里采用7021C类芯片。

硬件上3路锰铜采样+3路7021C+3个光耦传输高频脉冲+1的单片机做脉冲均匀化后发脉冲并驱动计度器。通过单片机本身的串口实现软件校表。

首先要解决计量的问题，A、B、C三相电流电压传输过来的是高频脉冲，n个高频脉冲累加后输出脉冲，m个脉冲后驱动计度器动作。

若JA表示A相JA个脉冲后输出1个脉冲，同理有存在JB、JC。则合相的情况下就是（假如这时A、B、C的脉冲数分别为a、b、c个）

a/JA+b/JB+c/JC=1；涉及到浮点数对8位的单片机来说运算量太大。面对240V，120A的情况根本无法计算，需要一种适合8位单片机的算法。

a/JA+b/JB+c/JC=1。两边都乘以JA*JB*JC得到

aJBJC+bJAJC+cJAJB=JAJBJC

这样就没有浮点数的运算了。得到A相的一个脉冲就累加上JBJC，依次类推。当累加数超过JAJBJC时输出一个脉冲。这样当单片机为8M时运算依次在10us，可以跟的上。

采用这样累加后的另一个好处是做补偿极为方便，仅需要向累加值中加补偿量即可。补偿量通过ADC电路采集，为了更快的计算，补偿量为8位数。可以针对电压，温度进行补偿。

本方案深入研究了传统另一种降压电路的特点和带隔离输出改造的可能性，将另一种降压电路中的一个续流电感改为隔离变压器、增加了一路隔离输出电路，从而实现了另一种降压电路带隔离的电压输出，实现了在带RS485通讯电能表中采用降压电源方案。经过调试和反复试验，采用此种方案的带RS485通讯电能表在70V-400V宽范围输入时正常工作，并通过了国标和IEC相关标准的EMI和EMC两项重量级试验。

采用此种降压电源方案的带RS485通讯电能表具有成本低、占用空间小、高度低、使用铜材少、重量轻、节省金属材料、抗强磁效果好、有功功耗低、宽范围电压输入、低电压拉合闸等优点，具体描述如下：

1、对于带485通讯电能表，此种降压电源方案成本远低于变压器+整流桥+稳压芯片电源方案（且变压器因使用大量的铜线和硅钢片受有色金属涨价影响大）和基于FLYBACK的AC/DC开关电源方案。应用于单相表中，此电源方案的成本约为变压器方案的2/3,约为FLYBACK方案的1/3；应用于三相表中，此电源方案的成本约为变压器方案的2/5,约为FLYBACK（反激式）方案的1/5。

2、此种降压电源方案高度和占PCB面积、重量均小于变压器方案和FLYBACK方案，可以使电能表的出结构更加紧凑、简洁和美观。

3、宽范围电压输入，可在70-400V电压输入条件下正常工作。变压器方案需针对不同频率、电压电流规格采用不同规格的变压器；FLYBACK方案需采用高耐压的MOS管，不能采用常规的芯片。

4、本降压电源方案采用的隔离变压器仅需2组线圈即可，频率可高达1MHz以上，与变压器方案相比，更小的线圈和磁芯节省了金属材料。

5、本降压电源方案的隔离变压器在开关关断时不需要像FLYBACK方案存储电能量供RS485通讯使用，而是直接在开关闭合的同时为RS485供电，避免了在强磁干扰下因磁芯饱和造成的不能存储能量的问题，因此抗强磁效果优于FLYBACK方案。

6、本降压电源方案有功功耗约等于另一种降压前端的输入功率，无类似变压器方案存在的中间铁芯损耗；同时，本降压电源方案的直流侧，输入、输出压差小，与FLYBACK方案相比，开关损耗小；基于以上两点，本降压电源方案具有有功功耗低的优点。

7、变压器方案中，输出电压与输入电压成正比，在输入电压等于或低于50%Un时因输出电压过低而无法完成拉闸动作；本降压电源方案因输出电压不随输入电压变化，因此在电能表的全工作范围均能完成拉闸动作。与常规变压器方案相比，本降压电源方案具有决定性的优势。

以上仅为本发明的优选实施方式，并非是对本发明技术方案的限定，且本发明的降压电源方案适用于任何电子式，包括智能式电表应用。同时，附图中仅将涉及到本发明详细技术方案的功能单元绘示出，并非表述整个电路的所有元件。应当理解的是，一切基于本发明技术方案所作出的修改、替代或者变化，均应涵盖于本发明所附权利要求限定的技术精神内。

Claims (20)

1.智能电表的电源电路，其特征在于：包括功率输出控制电路、降压电路、开关控制电路和充电电路，所述降压电路的输入端和输出端分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路，其中：

所述降压电路包括自输入端至输出端相互并联的RC电路，自输入端分别与这些RC电路并接的压敏电阻和抑制二极管，以及连接于RC电路与输出端之间的稳压电路；

所述开关控制电路包括一个控制芯片，它电连接至降压电路的输出端，并包括一个充电电路，所述充电电路的输出端接入功率输出控制电路；

所述功率输出控制电路包括脉冲输出电路、抑制电路I、抑制电路II和泄流电路，所述脉冲输出电路分别与抑制电路I、抑制电路II和泄流电路电连接；

其中所述电表电源电路所产生的功率满足关系式

P_MAX=U_TVS·I_MAX，

其中U_TVS为降压电路经过抑制电路I和抑制电路II钳位后的输出电压，P_MAX为降压电路在外部交流电压输入下最大输出电流I_MAX时的最大输出功率，满足

I_MAX=I₁+I₂+I₃+I₄+I_D，

其中I₁为电表的工作电流，I₂为分配至电表的拉合闸电容的充电电流，I₃为分配至充电电路的充电电流，I₄为泄流电流，且I_D为电表电源电路的旁路电流，其中：

当拉合闸电容充满电后，I₂为零，当充电电路充电结束后，I₃为零。

2.根据权利要求1所述的智能电表的电源电路，其特征在于：

所述抑制电路I包括相互连接的两个三极管Q3和Q4，此抑制电路I是用于对电表的继电器拉合闸电容是否进行充电和放电进行判断和控制；

所述抑制电路II设有单片机U2，并利用一个二极管D10、电容C7和一个限流电容E3作为缓冲电路，两个抑制电路之间是非同时工作的。

3.根据权利要求1所述的智能电表的电源电路，其特征在于：泄流电路包括四个放大器U1D、U1E、U1F和U1C以及两个三极管Q6和Q7，并通过其输出端MVDD进行泄流。

4.智能电表的电源电路，其特征在于：包括功率输出控制电路、降压电路、开关控制电路和充电电路，所述降压电路的输入端和输出端分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路，其中：

所述降压电路包括自输入端至输出端相互并联的RC电路，自输入端分别与这些RC电路并接的压敏电阻和抑制二极管，以及连接于RC电路与输出端之间的稳压电路；

所述开关控制电路包括一个控制芯片和与之电连接的一个隔离输出电路，并进一步包括一个充电电路，所述充电电路的输出端接入功率输出控制电路；

所述功率输出控制电路包括脉冲输出电路、抑制电路I、抑制电路II和泄流电路，所述脉冲输出电路分别与抑制电路I、抑制电路II和泄流电路电连接；

其中所述电表电源电路所产生的功率满足关系式

P_MAX=U_TVS·I_MAX，

其中U_TVS为降压电路经过抑制电路I和抑制电路II钳位后的输出电压，P_MAX为降压电路在外部交流电压输入下最大输出电流I_MAX时的最大输出功率，满足

I_MAX=I₁+I₂+I₃+I₄+I_D，

其中I₁为电表的工作电流，I₂为分配至电表的拉合闸电容的充电电流，I₃为分配至充电电路的充电电流，I₄为泄流电流，且I_D为电表电源电路的旁路电流，其中：

当拉合闸电容充满电后，I₂为零，当充电电路充电结束后，I₃为零。

5.根据权利要求4所述的智能电表的电源电路，其特征在于：

所述抑制电路I包括相互连接的两个三极管Q3和Q4，此抑制电路I是用于对电表的继电器拉合闸电容是否进行充电和放电进行判断和控制；

所述抑制电路II设有单片机U2，并利用一个二极管D10、电容C7和一个限流电容E3作为缓冲电路，两个抑制电路之间是非同时工作的。

6.根据权利要求4所述的智能电表的电源电路，其特征在于：泄流电路包括四个放大器U1D、U1E、U1F和U1C以及两个三极管Q6和Q7，并通过其输出端MVDD进行泄流。

7.智能电表的电源电路，其特征在于：包括功率输出控制电路、降压电路、开关控制电路和充电电路，所述降压电路的输入端和输出端分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路，其中：

所述降压电路包括自输入端至输出端依次电连接的RC电路、对流二极管和电容，自输入端至输出端依次电连接的TVS管、电阻、三极管和对流二极管；

所述开关控制电路包括一个控制芯片，它电连接至降压电路的输出端，并包括一个充电电路，所述充电电路的输出端接入功率输出控制电路；

所述功率输出控制电路包括脉冲输出电路、抑制电路I、抑制电路II和泄流电路，所述脉冲输出电路分别与抑制电路I、抑制电路II和泄流电路电连接；

其中所述电表电源电路所产生的功率满足关系式

P_MAX=U_TVS·I_MAX，

其中U_TVS为降压电路经过抑制电路I和抑制电路II钳位后的输出电压，P_MAX为降压电路在外部交流电压输入下最大输出电流I_MAX时的最大输出功率，满足

I_MAX=I₁+I₂+I₃+I₄+I_D，

其中I₁为电表的工作电流，I₂为分配至电表的拉合闸电容的充电电流，I₃为分配至充电电路的充电电流，I₄为泄流电流，且I_D为电表电源电路的旁路电流，其中：

当拉合闸电容充满电后，I₂为零，当充电电路充电结束后，I₃为零。

8.根据权利要求7所述的智能电表的电源电路，其特征在于：

所述抑制电路I包括相互连接的两个三极管Q3和Q4，此抑制电路I是用于对电表的继电器拉合闸电容是否进行充电和放电进行判断和控制；

所述抑制电路II设有单片机U2，并利用一个二极管D10、电容C7和一个限流电容E3作为缓冲电路，两个抑制电路之间是非同时工作的。

9.根据权利要求7所述的智能电表的电源电路，其特征在于：泄流电路包括四个放大器U1D、U1E、U1F和U1C以及两个三极管Q6和Q7，并通过其输出端MVDD进行泄流。

10.智能电表的电源电路，其特征在于：包括功率输出控制电路、降压电路、开关控制电路和充电电路，所述降压电路的输入端和输出端分别连接于电表的接线端和开关控制电路的输入端，所述开关控制电路的输出端接入功率输出控制电路，其中：

所述降压电路包括自输入端至输出端依次电连接的RC电路、对流二极管和电容，自输入端至输出端依次电连接的TVS管、电阻、三极管和对流二极管；

所述开关控制电路包括一个控制芯片和与之电连接的一个隔离输出电路，并进一步包括一个充电电路，所述充电电路的输出端接入功率输出控制电路；

所述功率输出控制电路包括脉冲输出电路、抑制电路I、抑制电路II和泄流电路，所述脉冲输出电路分别与抑制电路I、抑制电路II和泄流电路电连接；

其中所述电表电源电路所产生的功率满足关系式

P_MAX=U_TVS·I_MAX，

其中U_TVS为降压电路经过抑制电路I和抑制电路II钳位后的输出电压，P_MAX为降压电路在外部交流电压输入下最大输出电流I_MAX时的最大输出功率，满足

I_MAX=I₁+I₂+I₃+I₄+I_D，

其中I₁为电表的工作电流，I₂为分配至电表的拉合闸电容的充电电流，I₃为分配至充电电路的充电电流，I₄为泄流电流，且I_D为电表电源电路的旁路电流，其中：

当拉合闸电容充满电后，I₂为零，当充电电路充电结束后，I₃为零。

11.根据权利要求10所述的智能电表的电源电路，其特征在于：

所述抑制电路I包括相互连接的两个三极管Q3和Q4，此抑制电路I是用于对电表的继电器拉合闸电容是否进行充电和放电进行判断和控制；

所述抑制电路II设有单片机U2，并利用一个二极管D10、电容C7和一个限流电容E3作为缓冲电路，两个抑制电路之间是非同时工作的。

12.根据权利要求10所述的智能电表的电源电路，其特征在于：泄流电路包括四个放大器U1D、U1E、U1F和U1C以及两个三极管Q6和Q7，并通过其输出端MVDD进行泄流。

13.三相智能机电式电表，它包括一个电表本体，在所述电表本体内部设有若干个接线端、处理器、显示电路、通讯电路和存储器，并通过所述接线端来接设于电网供电线与电网用户负载之间，其特征在于：进一步设有如权利要求1中所述的电表电源电路、3个采集电路和3个计量芯片，其中所述接线端分别连接至采集电路和电表电源电路，所述采集电路电连接至计量芯片，所述处理器分别与计量芯片、电表电源电路、显示电路、通讯电路和存储器电连接，其中，设计所述的3个采集电路和3个计量芯片是根据：

a·J_BJ_C+b·J_AJ_C+c·J_AJ_B=J_AJ_BJ_C，

其中J_A、J_B、J_C表示A相J_A个脉冲、B相J_B个脉冲和C相J_C个脉冲后输出的1个脉冲，a、b、c分别表示这时A、B、C相的脉冲数。

14.如权利要求13所述的三相智能机电式电表，其特征在于：所述接线端是以对称式接线方式加以设置，即电网电力线的进线端LA、LB、LC和零线N与电表本体接出至用户负载的出线端OA、OB、OC和零线N是以中心轴电表本体中心轴线P对称的方式加以设置。

15.如权利要求13所述的三相智能机电式电表，其特征在于：所述采集电路包括锰铜分流电路和隔离传感器，所述接线端连接至锰铜分流电路的输入端，所述锰铜分流电路的输出端接入隔离传感器。

16.如权利要求13所述的三相智能机电式电表，其特征在于：所述电表本体包括相互配合封围的上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体界定了用于连接电网电力线和电网用户负载的接线端，所述上壳体和下壳体分别设有相互吻合的锯齿状配合部。

17.如权利要求16所述的三相智能机电式电表，其特征在于：所述锯齿状配合部的锯齿夹角设为90°至130°之间。

18.如权利要求17所述的三相智能机电式电表，其特征在于：所述锯齿状配合部的锯齿夹角为113°。

19.如权利要求16或17所述的三相智能机电式电表，其特征在于：所述锯齿状配合部的锯齿横向长度设为3mm至6mm之间，纵向宽度设为1mm至3mm之间。

20.如权利要求19所述的三相智能机电式电表，其特征在于：所述锯齿状配合部的锯齿横向长度为4.5mm，纵向宽度为1.5mm。