CN107040143A - 电源电路、供电方法及其制成的计量仪表 - Google Patents

电源电路、供电方法及其制成的计量仪表 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电源电路，包括EMI及整流桥电路、PFC控制器、变压器、第一驱动开关管、第二驱动开关管和双隔离驱动电路；变压器原边第一线圈异名端连接EMI及整流桥电路输出端，同名端连接第一驱动开关管活动端，活动端另一端连接变压器原边第二线圈同名端，异名端连接第二驱动开关管活动端，活动端另一端接地；PFC控制器通过双隔离驱动电路输出两路信号控制第一和第二驱动开关管。本发明还公开了电源电路的供电方法，包括电能输入；PFC控制器上电并驱动开关管工作；变压器副边输出电能；采用输出电能；PFC控制器闭环控制开关管工作。本发明还提供了包括电源电路和供电方法的计量仪表。本发明成本低、驱动开关管承受电压低。

Description

电源电路、供电方法及其制成的计量仪表
技术领域
本发明具体涉及一种电源电路、供电方法及其制成的计量仪表。
背景技术
随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源之一，在人们的生产和生活中发挥了巨大的作用，给人们带来了无尽的便利。
计量仪表作为计量系统的重要部件，其发挥着计量能源用量并上传数据的重要作用。因此计量仪表的可靠性极其关键。目前常用的交流220V或交流380V供电的计量仪表的电源电路如图1所示：三相/二相交流电能输入后，通过雷击浪涌电路和EMI电路和整流桥后输出直流电能，再通过储能滤波电容进行储能和滤波后，连接到变压器原边的第一线圈的同名端，变压器原边的第一线圈的异名端连接驱动开关管的活动端的一端，驱动开关管的活动端的另一端接地，变压器原边的第二线圈的同名端通过输出电压采样电路连接PFC控制器，用于提供变压器输出电压的采样信号，同时也通过过零检测电路连接PFC控制器，还通过滤波整流和芯片供电电路连接PFC控制器；PFC控制器则根据检测的输出电压信号、过零检测信号输出一路控制信号到驱动开关管的控制端，控制开关管的开通和关断，从而使得变压器工作，将原边电能耦合到变压器副边输出最终的电源信号。
但是，现有的电源电路，其存在如下缺点：由于交流电能输入后整流为直流电能，因此直流母线的电压较高，从而使得驱动开关管所承受的电压非常高，因此开关管的耐压水平要求非常高，这使得成本急剧飙升。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种成本低廉、驱动开关管承受的电压较低的电源电路。
本发明的目的之二在于提供一种所述电源电路的供电方法。
本发明的目的之三在于提供一种包括了所述电源电路和供电方法的计量仪表。
本发明提供的这种电源电路，包括交流输入接口、雷击浪涌电路、EMI及整流桥电路、电流采样电路、输出电压采样电路、过零检测电路、滤波整流电路、芯片供电电路、PFC控制器和变压器，还包括第一驱动开关管、第二驱动开关管和双隔离驱动电路；变压器原边的第一线圈的异名端连接EMI及整流桥电路输出端，第一线圈的同名端连接第一驱动开关管的活动端，第一驱动开关管的活动端另一端连接变压器原边的第二线圈的同名端，第二线圈的异名端连接第二驱动开关管的活动端，第二驱动开关管的活动端的另一端接地；PFC控制器输出一路PWM信号，通过双隔离驱动电路输出两路驱动信号到第一驱动开关管的控制端和第二驱动开关管的控制端。
所述的第一驱动开关管和第二驱动开关管为MOS管。
所述的双隔离驱动电路包括开关管驱动电路、正激式变压器电路和输出信号调理电路；开关管驱动电路包括第一开关管、第一开关管限流电阻和第一开关管下拉电阻；正激式变压器电路则包括正激式变压器、滤波电容和二极管；输出信号调理电路包括第一驱动开关管信号调理电路和第二驱动开关管信号调理电路，第一驱动开关管信号调理电路和第二驱动开关管信号调理电路为相同的电路，均包括输出限流电阻、保护二极管、输出开关管、输出开关管限流电阻、输出开关管下拉电阻、放电电阻和输出滤波电容；PFC控制器输出的PWM信号通过第一开关管限流电阻连接第一开关管的控制端，第一开关管的控制端还通过第一开关管下拉电阻接地；第一开关管的活动端一端接地，第一开关管的活动端另一端连接正激式变压器的原边第一线圈的异名端，正激式变压器的原边第一线圈的同名端与电源正极连接，变压器的原边第二线圈的同名端直接接地，变压器的原边第二线圈的异名端通过二极管连接电源正极；变压器的原边第一线圈的异名端和变压器的原边第二线圈的异名端直接连接滤波电容；变压器的副边第一线圈的同名端通过输出限流电阻和保护二极管输出第一驱动信号连接第一驱动开关管的控制端，变压器的副边第一线圈的异名端连接第一驱动开关管的活动端；保护二极管的输出端连接输出开关管的活动端的一端，输出开关管的活动端的另一端通过输出开关管下拉电阻连接变压器的副边第一线圈的异名端；输出开关管的控制端通过输出开关管限流电阻连接保护二极管的输入端；输出开关管的活动端的一端还通过放电电阻连接变压器的副边第一线圈的异名端；输出滤波电容与放电电阻并联；变压器的副边第二线圈采用和第一驱动开关管信号调理电路相同的电路输出第二驱动开关管的控制信号。
所述的开关管为三极管或MOS管。
本发明还提供了所述电源电路的供电方法，包括如下步骤：
S1.交流电能输入电源电路，通过雷击浪涌电路和EMI及整流桥电路转换为直流电能；
S2.直流电能通过芯片供电电路给PFC控制器供电；
S3.PFC控制器上电，控制双隔离驱动电路输出两路PWM信号控制第一驱动开关管和第二驱动开关管工作；
S4.变压器原边线圈周期性的通断，将EMI和整流桥电路输出的直流母线上的电能耦合到副边输出电源电压；
S5.电流采样电路采样第一驱动开关管和第二驱动开关管的电流信号并输入PFC控制器，输出电压采样电路采样电源电路输出的电压信号并传入PFC控制器，过零检测电路检测输出电压的过零点信号并传入PFC控制器；
S6.PFC控制器根据输入的检测信号调整输出的PWM信号频率，完成电源电路输出电能的闭环控制。
本发明还提供了包括所述电源电路和供电方法的计量仪表。
本发明提供的这种电源电路、供电方法及其制成的计量仪表，通过采用双隔离驱动电路和双驱动开关管的设计，极大的降低了单个驱动开关管所承受的电压值，使得电源电路的成本大大降低，同时也使得电源电路能够适用于更高的输入电源的场合，极大的扩宽了电源电路的通用性。
附图说明
图1为现有的电源电路的功能模块示意图。
图2为本发明的电源电路的功能模块示意图。
图3为本发明的双隔离驱动电路的电路原理图。
图4为本发明的供电方法的方法流程图。
具体实施方式
本发明提供的这种电源电路，包括交流输入接口、雷击浪涌电路、EMI及整流桥电路、电流采样电路、输出电压采样电路、过零检测电路、滤波整流电路、芯片供电电路、PFC控制器和变压器，还包括第一驱动开关管、第二驱动开关管和双隔离驱动电路；变压器原边的第一线圈的异名端连接EMI及整流桥电路输出端，第一线圈的同名端连接第一驱动开关管的活动端，第一驱动开关管的活动端另一端连接变压器原边的第二线圈的同名端，第二线圈的异名端连接第二驱动开关管的活动端，第二驱动开关管的活动端的另一端接地；PFC控制器输出一路PWM信号，通过双隔离驱动电路输出两路驱动信号到第一驱动开关管的控制端和第二驱动开关管的控制端；在具体实施时，第一驱动开关管和第二驱动开关管可以采用为MOS管。
如图3所示为本发明的双隔离驱动电路的电路原理图：双隔离驱动电路包括开关管驱动电路、正激式变压器电路和输出信号调理电路；开关管驱动电路包括第一开关管(图中采用三极管Q7)、第一开关管限流电阻(图中采用R41)和第一开关管下拉电阻(图中采用R24)；正激式变压器电路则包括正激式变压器(图中采用T2)、滤波电容(图中采用C16)和二极管(图中采用D1)；输出信号调理电路包括第一驱动开关管信号调理电路和第二驱动开关管信号调理电路，第一驱动开关管信号调理电路和第二驱动开关管信号调理电路为相同的电路，均包括输出限流电阻(图中采用R43和R42)、保护二极管(图中采用D3和D2)、输出开关管(图中采用Q8和Q4)、输出开关管限流电阻(图中采用R44和R46)、输出开关管下拉电阻(图中采用R7和R49)、放电电阻(图中采用R48和R47)和输出滤波电容(图中采用C6和C2)；PFC控制器输出的PWM信号通过第一开关管限流电阻连接第一开关管的控制端，第一开关管的控制端还通过第一开关管下拉电阻接地；第一开关管的活动端一端(发射极)接地，第一开关管的活动端另一端(集电极)连接正激式变压器的原边第一线圈的异名端，正激式变压器的原边第一线圈的同名端与电源正极连接，变压器的原边第二线圈的同名端直接接地，变压器的原边第二线圈的异名端通过二极管连接电源正极；变压器的原边第一线圈的异名端和变压器的原边第二线圈的异名端直接连接滤波电容；变压器的副边第一线圈的同名端通过输出限流电阻和保护二极管输出第一驱动信号连接第一驱动开关管的控制端，变压器的副边第一线圈的异名端连接第一驱动开关管的活动端(当第一驱动开关管采用MOS管时，变压器的副边第一线圈的异名端连接第一驱动开关管的源极)；保护二极管的输出端(阴极)连接输出开关管的活动端的一端(发射极)，输出开关管的活动端的另一端(集电极)通过输出开关管下拉电阻连接变压器的副边第一线圈的异名端；输出开关管的控制端(基极)通过输出开关管限流电阻连接保护二极管的输入端(阳极)；输出开关管的活动端的一端还通过放电电阻连接变压器的副边第一线圈的异名端；输出滤波电容与放电电阻并联；变压器的副边第二线圈采用和第一驱动开关管信号调理电路相同的电路输出第二驱动开关管的控制信号。
双隔离驱动电路的工作过程如下：当PFC控制器给出的驱动信号(DRV)为高电平时，三极管Q7导通，此时驱动变压器的2-3绕组通过VCC储存能量，此时，2脚同名端为高电平，电压值约等于VCC。由于驱动变压器为正激变压器，储存能量的同时向后端14-13和9-8两个绕组释放能量，此时，Q1_G对Q1_S与Q2_G对Q2_S也为高电平，电压值约等于VCC，此时可以同时让两个MOS管导通。当PFC控制器给出的驱动信号(DRV)为低电平时，三极管Q7截止，此时2-3绕组剩余的能量与C16上储存的能量通过D1或5-6绕组进行泄放。同时，Q1_G与Q2_G需要快速关断两个MOS管，这时三极管Q8与Q4导通，Q1_G与Q2_G通过Q8、Q4进行快速放电，使得Q1_G对Q1_S与Q2_G对Q2_S变为低电平，两个MOS管同时关断。
由于PFC控制器含一个驱动信号(DRV)不能同时驱动两个MOS，只能驱动一个MOS管，这样外加一个双隔离驱动，通过双隔离驱动变压器，将一个驱动信号(DRV)隔离转换成两路驱动信号(Q1_G，Q2_G)，用来驱动两个MOS管，而且输出两个驱动信号(Q1_G，Q2_G)的电压值与VCC值保持一致，而且在时序上保持同时开通与关断，这样就可以保证两个MOS管通时开通与关断，不会导致时序上的延迟；待PFC控制器工作后，给驱动变压器提供驱动信号，经转换后控制两个MOS管同时开能，主变压器原边电感储存能量，达到设定占空比后，驱动信号关断两个MOS管，这样储存在原边电感中的能量传递到副边输出。
采用双隔离双开关的优势在于：适应于更高更宽范围输入的电能表(输入电压越高，整流后VIN更高，需要的MOS管耐压值更高，单个MOS管耐压值已不能达到要求)，电压越高的MOS管成本越高，越难买到，采用双MOS后，单个MOS的耐压值可以大大降低，而且采用双隔离驱动，两个MOS管驱动信号才能保持同步，确保双MOS的同时开通与关断，保证可靠性。
如图4所示为本发明的供电方法的方法流程图：本发明提供的所述电源电路的供电方法，包括如下步骤：
S1.交流电能输入电源电路，通过雷击浪涌电路和EMI及整流桥电路转换为直流电能；
S2.直流电能通过芯片供电电路给PFC控制器供电；
S3.PFC控制器上电，控制双隔离驱动电路输出两路PWM信号控制第一驱动开关管和第二驱动开关管工作；
S4.变压器原边线圈周期性的通断，将EMI和整流桥电路输出的直流母线上的电能耦合到副边输出电源电压；
S5.电流采样电路采样第一驱动开关管和第二驱动开关管的电流信号并输入PFC控制器，输出电压采样电路采样电源电路输出的电压信号并传入PFC控制器，过零检测电路检测输出电压的过零点信号并传入PFC控制器；
S6.PFC控制器根据输入的检测信号调整输出的PWM信号频率，完成电源电路输出电能的闭环控制。
本发明提供的这种电源电路和供电方法，可用于其他任何需要进行交流供电的电子设备，包括各类型的计量仪表(比如电能表、水表、燃气表、热量表等)、电能管理终端、配电终端、电能质量监控设备、电网自动化终端、采集终端、集中器、数据采集器、计量仪表、手抄器、故障指示器等。

Claims (6)

1.一种电源电路，包括交流输入接口、雷击浪涌电路、EMI及整流桥电路、电流采样电路、输出电压采样电路、过零检测电路、滤波整流电路、芯片供电电路、PFC控制器和变压器，其特征在于还包括第一驱动开关管、第二驱动开关管和双隔离驱动电路；变压器原边的第一线圈的异名端连接EMI及整流桥电路输出端，第一线圈的同名端连接第一驱动开关管的活动端，第一驱动开关管的活动端另一端连接变压器原边的第二线圈的同名端，第二线圈的异名端连接第二驱动开关管的活动端，第二驱动开关管的活动端的另一端接地；PFC控制器输出一路PWM信号，通过双隔离驱动电路输出两路驱动信号到第一驱动开关管的控制端和第二驱动开关管的控制端。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于所述的第一驱动开关管和第二驱动开关管为MOS管。
3.根据权利要求1或2所述的电源电路，其特征在于所述的双隔离驱动电路包括开关管驱动电路、正激式变压器电路和输出信号调理电路；开关管驱动电路包括第一开关管、第一开关管限流电阻和第一开关管下拉电阻；正激式变压器电路则包括正激式变压器、滤波电容和二极管；输出信号调理电路包括第一驱动开关管信号调理电路和第二驱动开关管信号调理电路，第一驱动开关管信号调理电路和第二驱动开关管信号调理电路为相同的电路，均包括输出限流电阻、保护二极管、输出开关管、输出开关管限流电阻、输出开关管下拉电阻、放电电阻和输出滤波电容；PFC控制器输出的PWM信号通过第一开关管限流电阻连接第一开关管的控制端，第一开关管的控制端还通过第一开关管下拉电阻接地；第一开关管的活动端一端接地，第一开关管的活动端另一端连接正激式变压器的原边第一线圈的异名端，正激式变压器的原边第一线圈的同名端与电源正极连接，变压器的原边第二线圈的同名端直接接地，变压器的原边第二线圈的异名端通过二极管连接电源正极；变压器的原边第一线圈的异名端和变压器的原边第二线圈的异名端直接连接滤波电容；变压器的副边第一线圈的同名端通过输出限流电阻和保护二极管输出第一驱动信号连接第一驱动开关管的控制端，变压器的副边第一线圈的异名端连接第一驱动开关管的活动端；保护二极管的输出端连接输出开关管的活动端的一端，输出开关管的活动端的另一端通过输出开关管下拉电阻连接变压器的副边第一线圈的异名端；输出开关管的控制端通过输出开关管限流电阻连接保护二极管的输入端；输出开关管的活动端的一端还通过放电电阻连接变压器的副边第一线圈的异名端；输出滤波电容与放电电阻并联；变压器的副边第二线圈采用和第一驱动开关管信号调理电路相同的电路输出第二驱动开关管的控制信号。
4.根据权利要求3所述的电源电路，其特征在于所述的开关管为三极管或MOS管。
5.一种权利要求1～4之一所述的电源电路的供电方法，包括如下步骤：
S1.交流电能输入电源电路，通过雷击浪涌电路和EMI及整流桥电路转换为直流电能；
S2.直流电能通过芯片供电电路给PFC控制器供电；
S3.PFC控制器上电，控制双隔离驱动电路输出两路PWM信号控制第一驱动开关管和第二驱动开关管工作；
S4.变压器原边线圈周期性的通断，将EMI和整流桥电路输出的直流母线上的电能耦合到副边输出电源电压；
S5.电流采样电路采样第一驱动开关管和第二驱动开关管的电流信号并输入PFC控制器，输出电压采样电路采样电源电路输出的电压信号并传入PFC控制器，过零检测电路检测输出电压的过零点信号并传入PFC控制器；
S6.PFC控制器根据输入的检测信号调整输出的PWM信号频率，完成电源电路输出电能的闭环控制。
6.一种计量仪表，其特征在于包括权利要求1～4之一所述的电源电路和权利要求5所述的供电方法。
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