CN112383404A - 一种电能表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能表，包括控制线路板，所述控制线路板上设置有MCU和主电源，其特征在于：所述控制线路板上还设置有PoE控制模块，所述PoE控制模块包括：PSE控制模块，用于在电能表上电时检测连接在PoE总线上的外部设备，并控制主电源为外部设备供电；PD控制模块，用于检测电能表上电与否；第一DC‑DC降压电路，用于在PD控制模块检测到断电时，将外部设备通过以太网提供的电压降压后向作为电能表电源。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置PD控制模块和PSE控制模块，使得电能表兼容传统电力终端基于IP的设备传输数据信号功能的同时，还能为其他有相同接口的设备提供直流供电的技术。

Description

一种电能表

技术领域

本发明涉及电力终端，尤其是一种电能表。

背景技术

近年来，随着电能表对通讯速度和安全要求越来越高，部分发达国家市场提出了基于以太网的智能电表要求，除了具备传统计量功能以外，还强化了智能电表通讯能力和数据安全及可靠性。

目前市场上已有基于以太网通讯的电能表，如申请号为201010149703.2的中国专利公开的一种智能变电站电能表，包括电能计量主CPU系统，还包括与电能计量主CPU系统相连的2路100兆光纤以太网口和2路10兆电以太网口、支持IEC 61850标准以及SNTP、IEC61588对时协议，可直接接收电子式互感器遵循IEC 61850-9-1/9-2协议的数字采样信号输出，可直接接入智能变电站的GOOSE、MMS协议网络以及SNTP或IEC 61588对时网络实现高级智能功能。

但上述这种电能表，不能兼顾电源管理功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种电能表，兼容传统电力终端基于IP的设备传输数据信号功能的同时，还能为其他有相同接口的设备提供电源。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电能表，包括控制线路板，所述控制线路板上设置有MCU和主电源，其特征在于：所述控制线路板上还设置有PoE控制模块，所述PoE控制模块包括：

PSE控制模块，用于在电能表上电时检测连接在PoE总线上的外部设备，并控制主电源为外部设备供电；

PD控制模块，用于检测电能表上电与否；

第一DC-DC降压电路，用于在PD控制模块检测到断电时，将外部设备通过以太网提供的电压降压后向作为电能表电源。

为便于PD控制模块能够控制第一DC-DC降压电路，所述第一DC-DC降压电路包括降压稳压芯片，所述PD控制模块包括第一PoE控制器，所述第一PoE控制器具有PG引脚，所述PG引脚作为使能引脚连接到降压稳压芯片的欠压锁定引脚。

优选的，所述降压稳压芯片的型号为LM5017，所述第一PoE控制器型号为TPS2375。

由于外部设备所供的电源是隔离的电源，与电能表内部系统电源不共地，因此，所述第一DC-DC降压电路还包括变压器，所述降压稳压芯片的输出端连接到变压器，所述变压器的输出端输出供电电压而能为MCU供电。

为便于监测外部设备的情况，所述PSE控制模块包括第二PoE控制器，所述第二PoE控制器具有DRAIN2引脚，所述DRAIN2引脚为电压检测引脚并且用于检测PoE总线的电压；所述第二PoE控制器还具有SEN2引脚，所述SEN2引脚为电流检测引脚并且检测PoE总线上的负载情况。

为便于将检测到的信号传递到MCU，便于MCU控制，第二PoE控制器的I/O口还连接到MCU，用于将检测到的PoE总线上的负载情况传输到MCU。

优选的，所述第二PoE控制器的型号为Tps23861。

优选的，为便于提供不同的电源电压，适配不同的部件，所述主电源的输出端通过稳压芯片和第二DC-DC降压电路后为MCU供电。

优选的，为便于提供不同的电源电压，适配不同的部件，所述控制线路板上还设置有超级电容和实时时钟，所述主电源的输出端通过稳压芯片和超级电容向实时时钟供电。

为便于显示运行信息，还包括与MCU连接的用于显示信息的LCD。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置PD控制模块和PSE控制模块，使得电能表兼容传统电力终端基于IP的设备传输数据信号功能的同时，还能为其他有相同接口的设备提供直流供电的技术，利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性，可为外部通讯或其他电能管理设备安全供电，同一网口既兼容PSE又兼容PD功能，现场使用适应能力更强。

附图说明

图1为本发明实施例的电能表的功能框图；

图2为PoE的RJ45接口图；

图3为本发明实施例的电能表的供电原理示意图；

图4为本发明实施例的电能表的供电电路原理图；

图5为本发明实施例的电能表的第一DC-DC降压电路的电路原理图；

图6为本发明实施例的电能表的PD控制模块电路原理图；

图7为本发明实施例的电能表的PSE控制模块电路原理图；

图8为PoE供电过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

下述的“连接”均为“电连接”。

参见图1，一种电能表，其控制线路板上设置有MCU11、闪存12(FLASH)、铁电存储器13(FRAM)、电能计量芯片14(7022E)、实时时钟15(RTC)、超级电容16(Super Cap)、主电源17(Main Power)、PoE控制模块18(PoE：Power over LAN)和以太网模块19(通过RJ45接口连接到以太网)。上述的闪存12、铁电存储器13、电能计量芯片14、实时时钟15均与MCU11电连接以实现双向通讯。主电源17为MCU11、超级电容16供电，主电源17通过PoE控制模块18向外部设备供电，外部设备可通过PoE控制模块18向电能表供电。其中，主电源17能够向MCU11供3.3V电压，通过PoE控制模块18输出44-57V的隔离电压，超级电容16可存储主电源17的电能，在停电时作为备用电源。MCU11和PoE控制模块18分别与以太网模块19双向通讯。

电能表还包括由LCD2，如可设置在电能表的表壳上，从而显示信息等，其与MCU11电连接以实现双向通讯。

参见图2，以太网供电是指在相同以太网铜缆上提供48V直流电源的能力。实施以太网供电需要两种主要设备--电源设备(PSE)，即以太网上的LAN交换机或集线器供电，以及上电设备(PD)，即从以太网电缆接收和使用电源以运行的终端设备。PoE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。

PSE和PD之间通过以太网实现通讯，PSE和PD各自的网线(CAT5线缆)通过RJ-45接头连接。

在本实施例中，电能表能够作为PoE总线上的PSE或者PD。以太网供电模块18的接口供电标准符合IEEE 802.3af，输出电压范围44～57VDC，最大可提供电流350mA，可为13W以内的负载供电。

以太网供电模块18的接口侦测是否有模块接入，识别为受电模块(PD)后进行分类，确定PD功耗等级后对符合IEC80.AF表的开始进行供电。

参见图1、3和图4，主电源17连接到交流电源，如230V/400V、58V/100V，具有三个火线(L1、L2、L3)、一个零线(N)端子，其通过内部的AC-DC转换后，输出7V的直流电压。

上述的PoE控制模块18包括第一DC-DC降压电路181以及检测和控制模块182，PoE控制模块18连接到PoE总线L，即第一DC-CDC降压电路191以及检测和控制模块182均连接到PoE总线L。检测和控制模块182用于检测和控制PoE总线L端口的工作，如检测并控制PoE总线L端口电压的幅值和通断。同时主电源17也连接到PoE总线L，PoE总线L上还连接有外部设备3。主电源17输出的7V的直流电压可以输入到第一DC-DC降压电路181的输入端。外部设备3可输入交流电或直流电供电，其中交流电可以为58V-10％～203+15％，直流电压可以为48V-10％～220+10％。

主电源17输出的7V直流电压还可以通过稳压芯片171(在本实施例中为LDO，低压差线性稳压器)后输出5V的直流电压，5V的直流电压可通过超级电容16输出5-2V的电压，也可以通过第二DC-DC降压电路172(包括有稳压芯片，该稳压芯片在本实施例中为LDO，低压差线性稳压器)再次降压得到3.3V的直流电压，为MCU11供电。

上述的主电源17、PoE控制模块18、稳压芯片171、第二DC-DC降压电路172、超级电容16共同构成SyM2电源。

SyM2电源的工作逻辑为：

1、AC停电时：

1.1、有NK/HS模块(一些特殊的电能表抄控设备，比如笔记本电脑等)给SyM2主电源供电(电能表做为PD)；

2.2、无NK/HS，超级电容16给实时时钟15供电；

2、上电时：

2.1、无受电模块时，SyM2主电源供电；

2.2、有受电模块，但无NK/HS SyM2作为PSE给受电模块供电；

2.3、有NK/HS时，NK/HS给受电模块供电，SyM2主电源给自身供电(电能表作为PSE)。

PoE总线模块设备功能切换电压阈值：35V<PoE<37V关闭高优先级功能。

参见图4，示出了syM2电源的电路原理图，其中检测和控制模块182包括PD控制模块1821和PSE控制模块1822。PD控制模块1821是当电能表作为PD时，外部PSE给电能表提供45V电源时，其控制第一DC-DC降压电路181工作，为电能表系统提供电源。PSE控制模块1822是当电能表作为PSE时，其用于检测及控制PoE总线端口电源的工作(检测并控制端口电压的幅值及通断)。

参见图5，显示了第一DC-DC降压电路181的电路原理示意图，其具有降压稳压芯片N18，在本实施例中，降压稳压芯片N18的型号为LM5017，降压稳压芯片N18的输入端与PD控制模块1821的输出端连接，降压稳压芯片N18的输出端连接有变压器T3，经过变压器T3后，输出7V电压。

参见图6，为PD控制模块1821，包括第一PoE控制器N22，在本实施例中，该第一PoE控制器N22型号为Tps2375，TPS2375系列是第二代PDC(PD控制器)，具有100V额定值和真正的漏极开路，电源就绪功能。第一PoE控制器N22具有PG引脚，该引脚即为代表Power Good，该PG引脚输出的信号(LM5017_EN)为降压稳压芯片N18的使能信号，作为PD控制模块1821的输出端，连接到降压稳压芯片N18的欠压锁定(UVLO)引脚，以控制降压稳压芯片N18的启动与否。第一PoE控制器N22具有DET引脚，该引脚即为检测电阻输入引脚，其连接到PoE总线L(PoE电源)，作为PD控制模块1821的输入端(V_Module_out1)。当主电源17供电电路正常工作时，PG引脚输出低电平，降压稳压芯片N18不工作。当主电源17供电电路非正常工作时，PG引脚输出高电平，降压稳压芯片N18开始工作。

参见图7，为PSE控制模块1822，包括第二PoE控制器N15，在本实施例中，该第二PoE控制器N15型号为Tps23861，其具有引脚VPWR，连接到第一DC-DC降压电路181的输入端，在本实施例中，为第一DC-DC降压电路181的引脚VIN，从而可向降压稳压芯片N18输入工作电压(V_Module)。该第二PoE控制器N15还具有引脚VDD，用于输入工作电压，可连接到降压稳压芯片N18。如上文所述，降压稳压芯片N18的输出端连接到变压器T3，具体为连接到变压器T3的初级线圈的一端，变压器T3的初级线圈的另一端则输出电压V_SMCU，该电压可作为第二PoE控制器N15的工作电压而输入到第二PoE控制器N15的引脚VDD。

第二PoE控制器N15的I/O口还连接到MCU11，用于将检测到的PoE总线L上的负载情况传输到MCU11，第二PoE控制器N15的I/O口和MCU11之间还可设置MOS管、光耦等。

该第二PoE控制器N15还具有引脚DRAIN2，为电压检测引脚，可以检测PoE总线L的电压情况。该第二PoE控制器N15还具有引脚SEN2，为电流检测引脚，可以检测PoE总线L的上的负载情况，即检测PD设备。该第二PoE控制器N15还具有引脚GATE2，用于输出电压控制。

第二PoE控制器N15的电压输出是V_Module，输入也是V_Module，只是通过引脚GATE2控制V_Module的电压回路。

参见图8，电能表作为PSE时(电能表处于上电状态正常工作)，可以通过PoE总线L给外部设备提供45V电源。电网断电等情况时，电能表无法正常工作，内部数据无法获取时，可通过以太网结构(RJ45接口)，为电能表提供45V电源，此时，电能表作为PD。电能表内部会通过第一DC-DC降压电路181将45V电源转为电能表系统电源，从而激活电能表，同时可通过以太网获取电能表。45V是做过隔离的一部分电源，与电能表内部系统电源不共地，因此，采用上述的第一DC-DC降压电路181中的变压器T3来实现隔离。可替代的，也可以不为45V电压，在44～57V之间的电压均可。

电能表作为PSE时，开始第二PoE控制器N15在PoE总线端口输出很小的电压，直到其检测到线缆终端的连接为一个支持IEEE 802.3af标准的受电端设备。当检测到受电端设备PD之后，第二PoE控制器N15会为PD设备进行分类，并且评估此PD设备所需的功率损耗。第二PoE控制器N15开始从低电压向PD设备供电，直至提供45V的直流电源，若PD设备从网络上断开时，第二PoE控制器N15就会快速地停止为PD设备供电，并重复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。

本发明的电能表，做供电设备(PSE)，通过RJ45网口可为符合IEEE80.AF协议外部模块供电和通讯，降低外部设备现场取电成本，以太网口单独给外接模块供电(功能端子复用，控制电路简化)，无需单独电源；通过设置可隔离的第一DC-DC降压电路181，以太网口隔离与主系统隔离4kV二级隔离，安全性更强；实时监控外接负载电压，对外部电压水平做电源管理；控制线路板占用空间小，增加了控制线路板整体布局的灵活性。

Claims (10)

1.一种电能表，包括控制线路板，所述控制线路板上设置有MCU(11)和主电源(17)，其特征在于：所述控制线路板上还设置有PoE控制模块(18)，所述PoE控制模块(18)包括：

PSE控制模块(1822)，用于在电能表上电时检测连接在PoE总线(L)上的外部设备，并控制主电源(17)为外部设备供电；

PD控制模块(1821)，用于检测电能表上电与否；

第一DC-DC降压电路(181)，用于在PD控制模块(1821)检测到断电时，将外部设备通过以太网提供的电压降压后向作为电能表电源。

2.根据权利要求1所述的电能表，其特征在于：所述第一DC-DC降压电路(181)包括降压稳压芯片(N18)，所述PD控制模块(1821)包括第一PoE控制器(N22)，所述第一PoE控制器(N22)具有PG引脚，所述PG引脚作为使能引脚连接到降压稳压芯片(N18)的欠压锁定引脚。

3.根据权利要求2所述的电能表，其特征在于：所述降压稳压芯片(N18)的型号为LM5017，所述第一PoE控制器(N22)型号为TPS2375。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的电能表，其特征在于：所述第一DC-DC降压电路(181)还包括变压器(T3)，所述降压稳压芯片(N18)的输出端连接到变压器(T3)，所述变压器(T3)的输出端输出供电电压而能为MCU(11)供电。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的电能表，其特征在于：所述PSE控制模块(1822)包括第二PoE控制器(N15)，所述第二PoE控制器(N15)具有DRAIN2引脚，所述DRAIN2引脚为电压检测引脚并且用于检测PoE总线(L)的电压；所述第二PoE控制器(N15)还具有SEN2引脚，所述SEN2引脚为电流检测引脚并且检测PoE总线(L)上的负载情况。

6.根据权利要求5所述的电能表，其特征在于：第二PoE控制器(N15)的I/O口还连接到MCU(11)，用于将检测到的PoE总线(L)上的负载情况传输到MCU(11)。

7.根据权利要求5所述的电能表，其特征在于：所述第二PoE控制器(N15)的型号为Tps23861。

8.根据权利要求1～3中任一项所述的电能表，其特征在于：所述主电源(17)的输出端通过稳压芯片(171)和第二DC-DC降压电路(172)后为MCU(11)供电。

9.根据权利要求1～3中任一项所述的电能表，其特征在于：所述控制线路板上还设置有超级电容(16)和实时时钟(15)，所述主电源(17)的输出端通过稳压芯片(171)和超级电容(16)向实时时钟(15)供电。

10.根据权利要求1～3中任一项所述的电能表，其特征在于：还包括与MCU(11)连接的用于显示信息的LCD(2)。

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