CN110932559A - 电表的电源模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电表的电源模块，包括主电源模块和辅助电源模块，辅助电源模块通过设置变压模块将低压直流转换为高压输出，设置次级整流输出模块对变压模块输出的电流进行整流而获得高压直流电，高压直流直接连接到智能电表的直流母线上，进而在主电源在市电停电时智能电表仍然可以正常工作，能够实现主、辅电源无法确保无缝切换；辅助电源模块的输出通过单向导通电路连接至主电源模块的直流母线上，从而在主电源模块供电时将辅助电源模块与主电源模块进行有效隔离，无需设置复杂的隔离方案；PWM控制模块根据采样反馈模块所反馈的电压信号来控制变压模块的工作，使辅助电源模块的输出电压在设定的范围内，可靠性高。

Description

电表的电源模块
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种电表的电源模块。
背景技术
近几年来，智能电表的发展十分迅猛，电表的功能越来越多，在变电站用的中压或高压CT电表(CT-电流互感器)，客户有辅助电源端口提供电表电源的需求，要求主电源输入口没有供电时由辅助端口供电而使电表功能正常。高端电表有这样的应用场景，当市电停电也即主电源输入端口没有供电时，电力局管理人员有需求要读取电表的数据，包括本地读取和远程读取，这就要求电表要有辅助电源。辅助电源的输入电压通常为直流12V或24V。
目前，有些方案采用将直流电源直接与主电源的输出电压相汇合的方式，这种做法的明显缺点是：1、主、辅电源无法确保无缝切换；2、主电源通常有多个输出电压，而且输出电压之间是需要4KV工频耐压隔离的，这样就面临一个输入电压对应多个输出电压且要隔离的复杂方案需求；3、客户要求的输入电压通常有2个电压值12V或24V，这样又增加了实现的复杂性而使系统的可靠性没有保障。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种电表的电源模块，包括主电源模块和辅助电源模块。
主电源模块，与交流输入电源相连，将交流电转换成直流电而为电表供电，所述主电源模块具有直流母线；
辅助电源模块，与直流输入电源相连，将低压直流输入电源转变为高压直流输出，所述辅助电源模块包括：将低压直流输入电源转变为高压直流输出的变压模块，将所述变压模块的输出进行整流滤波的次级整流输出模块，对输出模块的输出电压进行采样的采样反馈模块，以及，根据所述采样反馈模块的反馈信号控制所述变压模块工作的PWM控制模块，所述次级整流输出模块的输出通过单向导通电路连接至所述主电源模块的直流母线上。
进一步地，所述变压模块包括：反激式变压器、MOS管以及缓冲电路，缓冲电路并联在反激式变压器原边线圈的两端，所述MOS管的控制极受控于所述PWM控制模块，所述MOS管的源极通过一电阻接地，所述MOS管的漏极连接至所述反激式变压器的原边的正极端，所述PWM控制模块通过所述采样反馈模块的反馈电压来改变所述MOS管的导通占空比，控制所述反激式变压器初级到次级的能量使所述辅助电源模块的输出电压保持在设定范围。
进一步地，所述缓冲电路包括稳压管和二极管，所述稳压管的阳极连接所述反激式变压器的原边的阳极，所述稳压管的阴极连接所述二极管的阴极，所述二极管的阳极分别连接所述反激式变压器的原边的正极端和所述MOS管的漏极。
进一步地，所述采样反馈模块包括分压电路、光耦和电容，所述分压电路的输入端连接所述次级整流输出模块的输出端，所述分压电路包括两路电压输出端，分别为采样电压输出端和设定电压输出端，所述采样电压输出端连接所述光耦的发光器的阳极，所述设定电压输出端连接所述光耦的发光器的阴极，所述光耦的受光器的阴极接地，所述光耦的受光器的阳极连接所述电容的一端，所述电容的另一端接地，所述电容与所述光耦相连的公共端连接所述PWM控制模块。
进一步地，所述分压电路包括相互串联的两分压电阻和稳压管，两分压电阻的串联公共端构成所述采样电压输出端，其中一分压电阻的非公共端连接所述次级整流输出模块的输出端，另一分压电阻的非公共端构成所述设定电压输出端，所述设定电压输出端连接所述稳压管的阴极，所述稳压管的阳极接地。
进一步地，还包括输入滤波模块，所述输入滤波模块的输入与直流输入电源相连，所述输入滤波模块的输出所述变压模块相连，用以将直流输入电源进行滤波后输入所述变压模块。
进一步地，所述输入滤波模块包括第一电容、第二电容、共模电感、差模电感和第一储能电容，所述共模电感的两输入端分别连接所述直流输入电源的两极，所述第二电容的两极分别连接所述共模电感的两输入端，所述共模电感的一输出端连接所述差模电感的输入端，所述第一电容的两极分别连接所述共模电感的两输出端，所述差模电感的输出端分成两路，其中一路连接反激式变压器原边的负极端，另一路连接所述第一储能电容的正极，所述第一储能电容的负极接地。
进一步地，所述次级整流输出模块包括：整流电路以及与整流电路输出端相连的LC滤波电路，LC滤波电路的输出连接所述单向导通电路的输入端；所述整流电路包括一整流二级管，所述整流二极管的阳极连接所述反激式变压器的副边的正极端，所述整流二级管的负极连接所述LC滤波电路。
进一步地，所述LC滤波电路包括第二储能电容、第三储能电容和电感，所述第二储能电容的正极和所述电感的输入端均连接所述二极管的阴极，所述电感的输出端连接所述第三储能电容的正极，所述第三储能电容的负极、所述第二储能电容的负极以及所述变压模块副边的负极端均接地。
进一步地，所述单向导通电路包括隔离二极管，所述隔离二极管的阳极连接所述次级整流输出模块的输出端，所述二极管的阴极连接至所述主电源模块的直流母线。
由上述技术方案可知，本发明至少具有如下优点和积极效果：
本发明提供了一种电表的电源模块，包括主电源模块和辅助电源模块，辅助电源模块通过设置变压模块将低压直流转换为高压输出，设置次级整流输出模块对变压模块输出的电流进行整流而获得高压直流电，高压直流通过单向导通电路连接到智能电表的直流母线上，进而在主电源在市电停电时智能电表仍然可以正常工作，能够实现主、辅电源无缝切换；单向导通电路在主电源模块供电时将辅助电源模块与主电源模块进行有效隔离，无需设置复杂的隔离方案即可轻松实现主、辅电源相汇合；PWM控制模块根据采样反馈模块所反馈的电压信号来改变变压器的导通的占空比，来达到辅助电源模块的输出电压在设定的范围内，可靠性高。
附图说明
图1是本发明一实施例中辅助电源模块原理示意框图。
图2是本发明一实施例中辅助电源模块电路结构示意图。
附图标记说明如下：1、输入滤波模块；2、变压模块；3、次级整流输出模块；4、采样反馈模块；5、PWM控制模块。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”是指本发明为实现其技术目的使相关元件按其固有特性和方案逻辑关系而进行的电连接，可以是直接相连而构成的电连接关系，也可以通过中间媒介间接电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解本申请文件中各术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种电表的电源模块，包括主电源模块和辅助电源模块。
其中，主电源模块与交流输入电源相连，主电源模块可将交流电转换成直流电进而为电表供电，主电源模块具有直流母线。在市电没有停电的情况下，可将市电通过主电源模块直接为电表供电，本地或远程均可正常读取电表的数据。辅助电源模块与直流输入电源相连，直流输入电源可以是专门设置的电池。辅助电源模块用于将低压直流输入电源转变为能够满足电表工作所需的高压直流输出，使电表在市电停电的情况下，仍旧可正常读取电表的数据。
参照图1，辅助电源模块包括输入滤波模块1、变压模块2、次级整流输出模块3、采样反馈模块4和PWM控制模块5。实际应用中直流输入电源J1的电压一般为12V或24V，电压较低无法满足为电表提供工作电能的使用要求，故需要对低压直流输入电源J1的低压直流电进行升压。低压直流输入电源经过输入滤波模块1滤波后，经过变压模块2转换为高压输出，变压模块2的高压输出经过次级整流输出模块3进行整流滤波后输出稳定的高压直流。在本方案中具体转变为80V的直流输出可满足电表供电的要求。采样反馈模块4采集次级整流输出模块3的输出电压进行采样并将电压信号反馈给PWM控制模块5，PWM控制模块5根据所反馈的电压信号来控制变压模块2的工作，使变压模块2的输出电压在设定的范围内。
其中，次级整流输出模块3的输出通过单向导通电路连接至主电源模块的直流母线上，从而在主电源模块供电时将辅助电源模块与主电源模块进行有效隔离，防止主电源模块的输出电能流入辅助电源模块而对辅助电源模块造成损坏，无需设置复杂的隔离方案。当主电源模块没有电时，辅助电源模块则可通过单向导通电路将电能传递至直流母线进而给电表的供电端提供电能，从而确保主、辅电源无缝切换。该辅助电源模块所输出的较高电压的直流电可以直接连接到智能电表的直流母线上，进而在主电源在市电停电时智能电表仍然可以正常工作，易于实现，避免复杂的电压隔离方案。
参照图2，单向导通电路包括隔离二极管D2，隔离二极管D2的阳极连接次级整流输出模块3的输出端，隔离二极管D2的阴极连接至主电源模块的直流母线上。在其他实施例中，单向导通电路中的隔离二极管D2可以并联设置多个，保证单向导通的安全可靠，能有效防止主电源模块的输出电能流入辅助电源模块而对辅助电源模块造成损坏。
变压模块2包括反激式变压器T1、MOS管Q1和缓冲电路，缓冲电路并联在反激式变压器T1原边线圈的两端。MOS管Q1的控制极连接PWM控制模块5，从而PWM控制模块5控制MOS管Q1的导通和断开。MOS管Q1的源极通过一电阻R1接地，MOS管Q1的漏极连接至反激式变压器T1的原边线圈的正极端，从而与连接直流输入电源J1的原边线圈的另一端在原边线圈构成回路。MOS管Q1关断的瞬间由于反激式变压器T1漏感的存在会在反激式变压器T1的4脚产生非常高的尖峰电压，可能会导致MOS管Q1过电压击穿，缓冲电路可以很好的吸收电压尖峰，使MOS管Q1的源极和漏极的电压控制在安全范围之内。
缓冲电路包括稳压管ZP2和二极管D3。稳压管ZP2的阳极连接反激式变压器T1的原边一端，稳压管ZP2的阴极连接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接反激式变压器T1的原边的正极端和MOS管Q1的漏极。通过这样串连的稳压管ZP2和二极管D3能够吸收电压尖峰，避免MOS管Q1过电压而击穿。
其中，电阻R1连接MOS管Q1的源极的一端还连接PWM控制模块5，从而该电阻R1作为流过MOS管Q1电流的采样电阻而将电流转变为电压值提供给PWM控制模块5的控制芯片U1。如果输出电压带载非常重，流过MOS管Q1的电流非常大，控制芯片U1的7脚得到的电压就大，如果超过控制芯片U1的设定的参考电压，控制芯片U1会进行OLP保护，使变压器、MOS管Q1不至于过热而寿命减短甚至损坏。
采样反馈模块4包括分压电路、光耦U2和电容C5。分压电路包括两路电压输出端，分别为采样电压输出端和设定电压输出端。采样电压输出端连接光耦U2的发光器的阳极，设定电压输出端连接光耦U2的发光器的阴极，从而电流经过发光器后使发光器放光，进而使光耦U2的受光器产生电流。分压电路包括相互串联的两分压电阻和稳压管ZP1，两分压电阻的串联公共端构成采样电压输出端。其中一分压电阻R3的非公共端连接次级整流输出模块的输出端，从而对次级整流输出模块3的输出端电压进行采样。另一分压电阻R2的非公共端构成设定电压输出端。设定电压输出端连接稳压管的阴极，稳压管的正极端阳极接地。光耦U2的受光器的其中一端接地，光耦U2的受光器的另一端连接电容C5的一端并连接PWM控制模块5的控制芯片U1的FB脚，电容C5的另一端接地。
当次级整流输出模块3的输出电压高于设定电压时，流过光耦U2的1脚和2脚的电流变大，发光器发光变强。进而，受光器接受的光线变强，则光耦U2的3脚和4脚的电流变大，电容C5放电使PWM控制模块5的控制芯片U1的FB脚的电压变低，控制芯片U1减小MOS管Q1导通的占空比，控制从初级传到次级也即从反激式变压器T1输入端到输出端的能量变少，使次级整流输出模块3的输出电压变低以最终达到设定电压值。当次级整流输出模块3的输出电压低于设定电压时，流过光耦U2的1脚和2脚的发光器的电流变小，发光器的发光变弱，流过光耦U2的受光器的3脚和4脚的电流变小，电容C5充电使PWM控制模块5的控制芯片U1的FB脚的电压变高，PWM控制模块5的控制芯片U1增大MOS管Q1导通的占空比，进而控制反激式变压器T1从初级传到次级的能量变多，输出电压变高以最终达到设定电压值。其中，次级整流输出模块3的输出电压是否超过设定电压值是根据分压电路中稳压管ZP1的标称值而确定的。
继续参照图2，变压模块2与直流输入电源J1是通过输入滤波模块1相连的，输入滤波模块1将直流输入电源J1进行滤波后输入变压模块2。输入滤波模块1包括第一电容C1、第二电容C2、共模电感L2、差模电感L1和第一储能电容EC1。共模电感L2的两输入端分别连接直流输入电源J1的两极，第二电容C2的两极分别连接共模电感L2的两输入端。共模电感L2的一输出端连接差模电感L1的输入端，第一电容C1的两极分别连接共模电感L2的两输出端。差模电感L1的输出端分成两路，其中一路连接反激式变压器T1原边的负极端，另一路连接第一储能电容EC1的正极，第一储能电容EC1的负极连接共模电感L2的另一输出端并接地。直流输入电源J1所输出的直流电经过第二电容C2和共模电感L2的一级滤波后滤除直流输入中的共模干扰，滤除共模干扰后的直流电经过第一电容C1、差模电感L1和第一储能电容EC1后滤除直流输入中的差模干扰，从而为变压模块2提供稳定的直流电。
次级整流输出模块3包括整流电路以及与整流电路输出端相连的LC滤波电路，LC滤波电路的输出连接单向导通电路的输入端。整流电路包括整流二级管D1，二极管D1的阳极连接反激式变压器T1的副边一端，整流二级管D1的负极连接LC滤波电路。从而，反激式变压器T1的副边输出经过整流二级管D1整流而获得电压较高的直流输出，并将直流输出传递到LC滤波电路进行滤波。LC滤波电路包括第二储能电容EC2、第三储能电容EC3和电感L3，第二储能电容EC2的一极和电感L3的输入端均连接二极管D1的阴极，电感L3的输出端连接第三储能电容EC3的一极，第三储能电容EC3的另一极连接第二储能电容EC2的另一极和变压模块2的另一输出端并接地。整流二级管D1整流而获得电压较高的直流点经过LC滤波电路的第二储能电容EC2、第三储能电容EC3和电感L3滤波后，从LC滤波电路的输出端输出满足使用要求的较稳定的直流电并传递至单向导通电路的输入端。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电表的电源模块，其特征在于，包括：
主电源模块，与交流输入电源相连，将交流电转换成直流电而为电表供电，所述主电源模块具有直流母线；
辅助电源模块，与直流输入电源相连，将低压直流输入电源转变为高压直流输出，所述辅助电源模块包括：将低压直流输入电源转变为高压直流输出的变压模块，将所述变压模块的输出进行整流滤波的次级整流输出模块，对输出模块的输出电压进行采样的采样反馈模块，以及，根据所述采样反馈模块的反馈信号控制所述变压模块工作的PWM控制模块，所述次级整流输出模块的输出通过单向导通电路连接至所述主电源模块的直流母线上。
2.根据权利要求1所述的电表的电源模块，其特征在于，所述变压模块包括：反激式变压器、MOS管以及缓冲电路，缓冲电路并联在反激式变压器原边线圈的两端，所述MOS管的控制极受控于所述PWM控制模块，所述MOS管的源极通过一电阻接地，所述MOS管的漏极连接至所述反激式变压器的原边的正极端，所述PWM控制模块通过所述采样反馈模块的反馈电压来改变所述MOS管的导通占空比，控制所述反激式变压器初级到次级的能量使所述辅助电源模块的输出电压保持在设定范围。
3.根据权利要求2所述的电表的电源模块，其特征在于，所述缓冲电路包括稳压管和二极管，所述稳压管的阳极连接所述反激式变压器的原边的阳极，所述稳压管的阴极连接所述二极管的阴极，所述二极管的阳极分别连接所述反激式变压器的原边的正极端和所述MOS管的漏极。
4.根据权利要求2所述的电表的电源模块，其特征在于，所述采样反馈模块包括分压电路、光耦和电容，所述分压电路的输入端连接所述次级整流输出模块的输出端，所述分压电路包括两路电压输出端，分别为采样电压输出端和设定电压输出端，所述采样电压输出端连接所述光耦的发光器的阳极，所述设定电压输出端连接所述光耦的发光器的阴极，所述光耦的受光器的阴极接地，所述光耦的受光器的阳极连接所述电容的一端，所述电容的另一端接地，所述电容与所述光耦相连的公共端连接所述PWM控制模块。
5.根据权利要求4所述的电表的电源模块，其特征在于，所述分压电路包括相互串联的两分压电阻和稳压管，两分压电阻的串联公共端构成所述采样电压输出端，其中一分压电阻的非公共端连接所述次级整流输出模块的输出端，另一分压电阻的非公共端构成所述设定电压输出端，所述设定电压输出端连接所述稳压管的阴极，所述稳压管的阳极接地。
6.根据权利要求1所述的电表的电源模块，其特征在于，还包括输入滤波模块，所述输入滤波模块的输入与直流输入电源相连，所述输入滤波模块的输出所述变压模块相连，用以将直流输入电源进行滤波后输入所述变压模块。
7.根据权利要求6所述的电表的电源模块，其特征在于，所述输入滤波模块包括第一电容、第二电容、共模电感、差模电感和第一储能电容，所述共模电感的两输入端分别连接所述直流输入电源的两极，所述第二电容的两极分别连接所述共模电感的两输入端，所述共模电感的一输出端连接所述差模电感的输入端，所述第一电容的两极分别连接所述共模电感的两输出端，所述差模电感的输出端分成两路，其中一路连接反激式变压器原边的负极端，另一路连接所述第一储能电容的正极，所述第一储能电容的负极接地。
8.根据权利要求1所述的电表的电源模块，其特征在于，所述次级整流输出模块包括：整流电路以及与整流电路输出端相连的LC滤波电路，LC滤波电路的输出连接所述单向导通电路的输入端；所述整流电路包括一整流二级管，所述整流二极管的阳极连接所述反激式变压器的副边的正极端，所述整流二级管的负极连接所述LC滤波电路。
9.根据权利要求8所述的电表的电源模块，其特征在于，所述LC滤波电路包括第二储能电容、第三储能电容和电感，所述第二储能电容的正极和所述电感的输入端均连接所述二极管的阴极，所述电感的输出端连接所述第三储能电容的正极，所述第三储能电容的负极、所述第二储能电容的负极以及所述变压模块副边的负极端均接地。
10.根据权利要求1所述的电表的电源模块，其特征在于，所述单向导通电路包括隔离二极管，所述隔离二极管的阳极连接所述次级整流输出模块的输出端，所述二极管的阴极连接至所述主电源模块的直流母线。
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