CN116359603B - 一种三相电能表电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三相电能表电路，包括三相开关电源电路、通讯电路、数字量输出电路、MCU电路、模拟开关电路、数字隔离电路、光耦电路和三相计量电路；三相开关电源电路包括防护电路1、三相全桥整流电路、防护电路2、PN8145T电路、次级反馈电路、开关变压器、输出电路VO1、输出电路VO2和输出电路VO3。本发明的基于PN8145T电源芯片的三相开关电源电路，减少了元器件数量，电源输入端提供两级防护电路，提高了电源电路的可靠性；通过数字隔离电路实现三相计量电路与MCU电路的电气隔离，电路结构简单，提高了产品的安全性能；通讯电路工作温度‑40℃～+85℃解决传统光耦电路温度影响通讯问题。
Description
技术领域
本发明涉及三相电能表技术领域，特别是涉及一种具有测量、通讯、数字量输出及电源功能的三相电能表电路。
背景技术
目前的三相电能表电路：
1)、电压测量电路通过电阻分压电路后与MCU电路直连，电气上不隔离，该方案的缺点是在电磁环境比较差的场合会影响产品其他性能(如通讯误码率较高等)；另外一种是通过电压互感器将高压信号转换为低压信号，使三相电压信号与MCU电路模拟信号电气隔离，该隔离方案的三个电压互感器成本相对较高，对产品的市场竞争力不利。
2)、电能表的电源结构及电能表(专利号201810964325.X)，该专利中电源结构输入端全桥整流电路中每个桥臂采用两个二极管串联方式，后级开关电路采用开关电源芯片串联一个高压MOSFET实现三相交流电压输入的供电要求，该方案电路复杂，元器件数量较多，会降低产品的整机可靠性。
3)、通讯电路采用传统的普通光耦加RS485芯片方案，由于光耦容易受温度环境因素影响，通讯只适用于波特率9600bps以下系统；且系统连接RS485电路后，在做电磁兼容试验时，产品的EMI性能会下降
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种具有测量、通讯、数字量输出及电源功能的三相电能表电路。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供一种三相电能表电路，其特点在于，其包括三相开关电源电路、通讯电路、数字量输出电路、MCU电路、模拟开关电路、数字隔离电路、光耦电路和三相计量电路；
所述三相开关电源电路用于为三相计量电路、通讯电路和MCU电路提供工作电压，所述三相开关电源电路包括防护电路1、三相全桥整流电路、防护电路2、PN8145T电路、次级反馈电路、开关变压器、输出电路VO1、输出电路VO2和输出电路VO3；
所述防护电路1用于在三相交流输入电路上三相输入交流电压有浪涌电压冲击时对浪涌冲击电压进行吸收以提供第一级过电压防护；
所述三相全桥整流电路用于将三相输入交流电压整流为脉动直流高压；
所述防护电路2用于将防护电路1由于吸收浪涌冲击电压而产生的残压进一步进行钳位在DC750V左右，对后级电路提供过压、过流保护；
所述PN8145T电路用于将三相全桥整流电路变换的脉动直流高压滤波成平滑的直流高压，采用开关电源芯片PN8145T电路控制开关变压器开通和关断；
所述次级反馈电路用于根据输出电路VO1的输出电压反馈控制PN8145T电路的开关以达到输出稳压；
所述开关变压器用于将PN8145T电路输入的直流高压转换为三路隔离输出低压直流电源，开关变压器工作模式为反激式电路；
所述输出电路VO1作为主回路输出端反馈控制电源芯片PN8145T开关，将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为MCU电路提供DC3.3V工作电源；
所述输出电路VO2用于将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为通讯电路提供DC5V工作电源；
所述输出电路VO3用于将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为三相计量电路提供DC3.3V工作电源；
所述通讯电路用于为三相电能表连接监控系统，提供RS485硬件接口；
所述数字量输出电路为用户提供电能脉冲输出接口或继电器报警输出接口，用于可配置成电能脉冲输出信号或继电器报警输出信号，当控制信号为高电平时，数字量输出电路配置为继电器报警输出信号，当控制信号为高电平时，数字量输出电路配置为电能脉冲输出信号；
所述MCU电路用于通过串口与通讯电路2进行数据接收发送，控制模拟开关电路的使能信号，将数字量输出电路的输出配置为电能脉冲输出或继电器报警输出，通过SPI口读取三相计量电路的电压、电流及电能值；
所述模拟开关电路用于通过模拟开关，将数字量输出电路输出接口配置为电能脉冲输出或继电器报警输出，电能脉冲输出或继电器报警输出只能二选一；
所述数字隔离电路用于通过数字隔离器，实现MCU电路的SPI口与三相计量电路的SPI口数字通信；
所述光耦电路用于将三相计量电路输出的电能脉冲信号与模拟开关电路输入的电能脉冲信号之间电气隔离；
所述三相计量电路用于通过计量芯片对三相交流电压、电流以及电能信号进行计量、保存，通过SPI口与MCU电路进行数据交互并输出电能脉冲信号。
本发明的积极进步效果在于：
本发明提供的基于PN8145T电源芯片的三相交流输入开关电源电路，减少了元器件数量，电源输入端提供两级防护电路，提高了电源电路的可靠性；通过数字隔离电路实现三相计量电路与MCU电路的电气隔离，电路结构简单，提高了产品的安全性能；通讯电路工作温度-40℃～+85℃，速率达到500kbps，解决传统光耦电路温度影响通讯问题，通过隔离电路两端增加安规电容，提高产品的电磁兼容性能，满足产品工业应用场合，提高了产品的竞争力。
附图说明
图1为本发明的一种三相电能表测量、通讯、数字量输出及电源电路的结构框图。
图2为本发明的三相开关电源电路1的电路图。
图3为本发明的通讯电路2的电路图。
图4为本发明的三相计量电路8的电路图。
图5为本发明的数字量输出电路3的电路图。
图6模拟开关电路5的电路图。
图7光耦电路7的电路图。
图8为本发明的数字隔离电路6的电路图。
图9为本发明的MCU电路4的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种三相电能表电路，包括三相开关电源电路1、通讯电路2、数字量输出电路3、MCU电路4、模拟开关电路5、数字隔离电路6、光耦电路7和三相计量电路8。
其中，如图2所示，三相开关电源电路1用于为三相计量电路8、通讯电路2和MCU电路4提供工作电压，三相开关电源电路包括防护电路1 11、三相全桥整流电路12、防护电路213、PN8145T电路14、次级反馈电路15、开关变压器16、输出电路VO1 17、输出电路VO2 18和输出电路VO3 19。
防护电路1 11用于在三相交流输入电路上三相输入交流电压有浪涌电压冲击时对浪涌冲击电压进行吸收以提供第一级过电压防护，为后级电路提供过电压保护功能。
防护电路1的具体电路结构：包括第二压敏电阻RV2、第三压敏电阻RV3和第四压敏电阻RV4，第二压敏电阻RV2的一端连接Ua电压输入、另一端连接Un电压输入，第三压敏电阻RV3的一端连接Ub电压输入、另一端连接Un电压输入，第四压敏电阻RV4的一端连接Uc电压输入、另一端连接Un电压输入。
三相全桥整流电路12用于将三相输入交流电压整流为脉动直流高压。
三相全桥整流电路12的具体电路结构：包括二极管D2-D5及二极管D10-D13，二极管D2-D5及二极管D10-D13采用LTM540，此二极管最大反向电压Vrrm为4kV，解决专利(专利号201810964325.X)中使用两个二极管串联性能不一致，导致二极管损坏问题，第二二极管D2的阳极和第十二极管D10的阴极串联连接Ua电压输入，第三二极管D3的阳极和第十一二极管D11的阴极串联连接Ub电压输入，第四二极管D4的阳极和第十二二极管D12的阴极串联连接Uc电压输入，第五二极管D5的阳极和第十三二极管D13的阴极串联连接Un电压输入，第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4及第五二极管D5的阴极共同连接防护电路2，第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12及第十三二极管D13的阳极共同连接防护电路2。
防护电路2 13用于将防护电路1由于吸收浪涌冲击电压而产生的残压进一步进行钳位在DC750V左右，对后级电路提供过压、过流保护。
防护电路2 13的具体电路结构：包括第一集成模块RV1、第二十四安规电容C24和第一共模电感L1，当直流高压超过压敏电压DC750V时，第一集成模块RV1内部压敏动作，内部集成可自恢复的热敏电阻PTC启动过流热保护，第一集成模块RV1此时呈高阻状态以保护后级电路；第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4及第五二极管D5的阴极共同连接第一集成模块RV1的引脚1，第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12及第十三二极管D13的阳极共同连接第一集成模块RV1的引脚3，第一集成模块RV1的引脚2和引脚3分别与第二十四安规电容C24的两端并联，第二十四安规电容C24和第一共模电感L1组合成LC滤波电路以滤除电路中的高频干扰信号，第一共模电感L1的输入端与第二十四安规电容C24两端并联，第一共模电感L1的输出端与PN8145T电路连接。
PN8145T电路14用于将三相全桥整流电路变换的脉动直流高压滤波成平滑的直流高压，采用开关电源芯片PN8145T电路控制开关变压器开通和关断。
PN8145T电路14为三相开关电源电路1的开关电源控制电路，PN8145T电路的具体电路结构：第十一电解电容C11的负端与第二十三电解电容C23的正端串联成高压滤波电路，第十一电解电容C11正端连接第一共模电感L1的输出一端，第二十三电解电容C23负端连接第一共模电感L1的输出另一端、并连接PGND信号端；第三电阻R3、第四电阻R4、第七电阻R7、第九电阻R9为高压平衡电阻，第三电阻R3和第四电阻R4组成一串联电阻，串联电阻的一端接第十一电解电容C11的正端，串联电阻的另一端接第十一电解电容C11的负端，第七电阻R7和第九电阻R9组成另一串联电阻，另一串联电阻的一端连接第二十三电解电容C23的正端，另一串联电阻的另一端连接第二十三电解电容C23的负端；第一电阻R1、第二电容C2、第三电容C3、第七二极管D7组成RCD吸收电路，以吸收第四集成电路U4的引脚7、引脚8在开关过程中产生的尖峰电压，保护第四集成电路U4不会过压损坏，第一电阻R1、第二电容C2、第三电容C3的两端并联构成组合电路，组合电路的一端连接开关变压器T1的引脚1和第十一电解电容C11的正端，组合电路的另一端连接第七二极管D7的阴极，第七二极管D7的阳极连接开关变压器T1的引脚3和第四集成电路U4的引脚7和引脚8；第十四电阻R14和第十五电阻R15组成并联电路，并联电路的一端连接第四集成电路U4的引脚1，并联电路的另一端接PGND信号端，第四集成电路U4的引脚4连接第二十八电容C28的一端，第二十八电容C28的另一端连接PGND信号端；第二十六电容C26和第十六电解电容C16两端并联，并联电容的一端连接开关变压器T1的引脚5和PGND信号端，并联电容的另一端连接第四集成电路U4的引脚3，第四集成电路U4的引脚3连接第八二极管D8的阴极，第八二极管D8的阳极通过第六电阻R6连接开关变压器T1的引脚4，第四集成电路U4的引脚2连接PGND信号端。
次级反馈电路15用于根据输出电路VO1 17的输出电压反馈控制PN8145T电路14的开关以达到输出稳压；输出电路VO1 17输出端电压经光耦将反馈信号至开关电源芯片PN8145T，控制开关电源芯片PN8145T开关；使输出电路VO1 17输出稳定的电压。
次级反馈电路15具体电路结构包括：第一隔离光耦N1的输出端引脚4连接第四集成电路U4的引脚4，第一隔离光耦N1的输出端脚3连接PGND信号端，第一隔离光耦N1的输入端引脚1和输入端引脚2两端并联第十一电阻R11，第一隔离光耦N1的输入端引脚1通过第十电阻R10连接输出电路VO1，第一隔离光耦N1的输入端引脚2连接第五集成电路U5的引脚2(阴极)，第五集成电路U5采用基准芯片TL431，第十二电阻R12和第二十七电容C27组成串联电路，串联电路的一端连接第五集成电路U5的引脚2(阴极)，串联电路的另一端连接第五集成电路U5的引脚1(参考端)，第五集成电路U5的引脚2(阳极)连接输出电路VO1，第十六电阻R16的一端连接GND信号端、另一端连接第五集成电路U5的引脚1，第十三电阻R13的一端连接输出电路VO1、另一端连接第五集成电路U5的引脚1。
开关变压器16用于将PN8145T电路输入的直流高压转换为三路隔离输出低压直流电源，开关变压器工作模式为反激式电路，开关变压器为反激式高频变压器。
输出电路VO1 17作为主回路输出端反馈控制电源芯片PN8145T开关，将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为MCU电路提供DC3.3V工作电源。
输出电路VO1 17的具体电路结构包括：第一隔离光耦N1的输入端引脚1通过第十电阻R10连接输出电路VO1中第二十五电解电容C25的正端，第五集成电路U5的引脚2连接输出电路VO1的信号地(GND信号端)，第十三电阻R13的一端连接输出电路VO1中第二十电解电容C20的正端，第九二极管D9的阳极连接开关变压器T1的引脚8，第九二极管D9的阴极连接第二十五电解电容C25的正端，第八电阻R8和第七电容C17串联组成RC吸收电路，RC吸收电路的一端连接第九二极管D9的阳极，RC吸收电路的另一端连接第九二极管D9的阴极，第二电感L2和第二十电解电容C20组成LC滤波电路，第二电感L2的一端连接第二十五电解电容C25的正端，第二电感L2的另一端连接第二十电解电容C20的正端，第二十五电解电容C25的负端和第二十电解电容C20的负端连接开关变压器T1的引脚9和GND地信号端，第十八电容C18和第十九电容C19组成并联电路，并联电路的一端连接第二十电解电容C20的正端和第三LDO集成电路U3的输入端引脚3，并联电路的另一端连接GND地信号端，第二十一电容C21和第二十二电容C22组成并联电路，并联电路的一端连接第三集成电路U3的输出端引脚2(3.3V电源)，并联电路的另一端连接GND地信号端，第三集成电路U3的引脚1连接GND地信号端，PN8145T电路的PGND信号端通过第二十九安规电容C29连接输出电路VO1的信号地(GND信号端)，该安规电容可以提高三相开关电源电路的电磁兼容性能；
输出电路VO2 18用于将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为通讯电路提供DC5V工作电源。
输出电路VO2 18的具体电路结构包括：第六二极管D6的阳极连接开关变压器T1的引脚14，第十四电容C14和第十三电容C13组成并联电路，并联电路的一端连接第九二极管D6的阴极和第二集成电路U2的引脚1和引脚3，并联电路的另一端连接第一开关变压器T1的引脚13和G485地信号端，第五电阻R5和第十二电容C12串联组成RC吸收电路，RC吸收电路的一端连接第六二极管D6的阳极，RC吸收电路的另一端连接第六二极管D6的阴极，第二集成电路U2的引脚2连接G485地信号端，第二集成电路U2的引脚5通过第十五电容C15滤波输出DC5V工作电源(V485)。
输出电路VO3 19用于将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为三相计量电路提供DC3.3V工作电源。
输出电路VO3 19的具体电路结构包括：第一二极管D1的阳极连接开关变压器T1的引脚7，第七电容C7和第五电容C5组成并联电路，并联电路的一端连接第一二极管D1的阴极和第一集成电路U1的引脚1和引脚3，并联电路的另一端连接第一开关变压器T1的引脚6和GND1地信号端，第二电阻R2和第九电容C9串联组成RC吸收电路，RC吸收电路的一端连接第一二极管D1的阳极，RC吸收电路的另一端连接第一二极管D1的阴极，第一集成电路U1的引脚2连接GND1地信号端，第一集成电路U1的引脚5通过第四电容C4滤波输出DC3.3V工作电源(3.3V1)。
通讯电路2用于为三相电能表连接监控系统提供RS485硬件接口。
通讯电路2为RS485接口电路，如图3所示，通讯电路2的具体电路结构包括：第九集成电路U9内部集成速率500kbps数字隔离器及RS485收发电路，第九集成电路U9满足工业级高速率通讯要求，解决传统RS485电路中光耦易受高温影响通讯质量问题；第九集成电路U9的引脚12串联第八磁珠FB8后连接RS485接口A端，第九集成电路U9的引脚12通过上拉电阻第六十二电阻R62连接V485电源端，第九集成电路U9的引脚11串联第十磁珠FB10后连接RS485接口B端，第九集成电路U9的引脚11通过下拉电阻第五十八电阻R58连接G485地信号端，第九集成电路U9的引脚4和引脚5通过上拉电阻第五十四电阻R54连接3.3V电源端，第三三极管Q3(NPN型)的集电极连接第九集成电路U9的引脚4和引脚5，第三三极管Q3的基极通过第六十三电阻R63连接MCU电路4中MCU的I/O(MCU_RE)，该I/O控制通讯电路的收发状态，当MCU_RE为高电平时，第九集成电路U9处于接收状态，当MCU_RE为低电平时，第九集成电路U9处于发送状态，第三三极管Q3的发射极连接GND信号端，第九集成电路U9的引脚3连接MCU电路4中MCU的串口接收脚(MCU_RX)，第九集成电路U9的引脚6连接MCU电路4中MCU的串口发送脚(MCU_TX)；为提高RS485电路的电磁兼容性能，第六十安规电容C60的两端分别连接第九集成电路U9的初级侧引脚8(GND信号端)和次级侧引脚9(G485信号端)，RS485接口A端和RS485接口B端并联第二TVS管VD2，RS485接口A端对G485信号端并联第四TVS管VD4，RS485接口B端对G485信号端并联第三TVS管VD3。
数字量输出电路3为用户提供电能脉冲输出接口或继电器报警输出接口，用于可配置成电能脉冲输出信号或继电器报警输出信号，当控制信号为高电平时，数字量输出电路配置为继电器报警输出信号，当控制信号为高电平时，数字量输出电路配置为电能脉冲输出信号。
如图5所示，数字量输出电路3的具体电路结构包括：第三隔离电路N3为固态继电器APY212G2EH，第三隔离电路N3的输出端并联一TVS管VD1，以防止输出端过压损坏固态继电器，第三隔离电路N3的输入端引脚1通过第三十九电阻R39连接3.3V电源端，第三隔离电路N3的输入端引脚2连接第二三极管Q2(NPN型)的集电极，第二三极管Q2的发射极连接GND信号端，第二三极管Q2的基极通过第四十六电阻R46连接模拟开关电路中第六集成电路U6的引脚5，第六集成电路U6的引脚4连接MCU电路中MCU的继电器报警信号I/O口(MCU_DO)，第六集成电路U6的引脚6连接光耦电路中电能脉冲信号(7302_AP)，第六集成电路U6的引脚1连接MCU电路中MCU的I/O口即MCU_CTR，当控制信号MCU_CTR为低电平时，第六集成电路U6的引脚4和引脚5导通，数字量输出电路配置为继电器报警输出信号，当控制信号MCU_CTR为高电平时，第六集成电路U6的引脚6和引脚5导通，数字量输出电路配置为电能脉冲输出信号。
如图9所示，MCU电路4用于通过串口与通讯电路2进行数据接收发送，控制模拟开关电路的使能信号，将数字量输出电路的输出配置为电能脉冲输出或继电器报警输出，通过SPI口读取三相计量电路的电压、电流及电能值。MCU电路中第十集成电路U10为STM32F103CBT6。
如图6所示，模拟开关电路5用于通过模拟开关，将数字量输出电路输出接口配置为电能脉冲输出或继电器报警输出，电能脉冲输出或继电器报警输出只能二选一。
数字隔离电路6用于通过数字隔离器，实现MCU电路的SPI口与三相计量电路的SPI口数字通信。
如图8所示，数字隔离电路6的具体电路结构包括：第八集成电路U8通过SPI口隔离以实现数字信号隔离通信；为提高隔离的抗干扰性能，第四十七安规电容C47两端分别连接第八集成电路U8的初级侧脚8(GND信号端)和次级侧脚9(GND1信号端)。
光耦电路7用于将三相计量电路输出的电能脉冲信号与模拟开关电路输入的电能脉冲信号之间电气隔离。
如图7所示，光耦电路7的具体电路结构包括：第二隔离电路N2的输入端引脚1通过第十八电阻R18连接3.3V1电源端，第二隔离电路N2的输入端引脚2连接第一三极管Q1(NPN型)的集电极，第一三极管Q1的发射极连接GND1信号端，第一三极管Q1的基极通过第二十八电阻R28连接三相计量电路，第二隔离电路N2的输出端引脚4连接3.3V电源端，第二隔离电路N2的输出端引脚3连接模拟开关电路中第六集成电路U6的引脚6，第二隔离电路N2的输出端引脚3通过第二十七电阻R27下拉到GND信号端，第二隔离电路N2为光耦EL816S。
三相计量电路8用于通过计量芯片对三相交流电压、电流以及电能信号进行计量、保存，通过SPI口与MCU电路进行数据交互并输出电能脉冲信号。
如图4所示，三相计量电路8的具体电路结构包括：第七集成电路U7为计量芯片，第一三极管Q1的基极通过第二十八电阻R28连接第七集成电路U7的电能脉冲输出脚19，三相电压经过电阻分压滤波后连接第七集成电路U7的电压测量通道，第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22组成串联电阻，此串联电阻一端连接Ua电压输入，此串联电阻的另一端连接第二十五电阻R25的一端，第二十五电阻R25的另一端连接GND1信号端，串联电阻与第二十五电阻R25组成分压电路，该分压电路经由第二十三电阻R23和第三十三电容C33组成RC滤波电路后连接第七集成电路U7的引脚9，第三十电阻R30、第三十一电阻R31、第三十二电阻R32、第三十三电阻R33组成串联电阻，此串联电阻的一端连接Ub电压输入，此串联电阻的另一端连接第三十六电阻R36的一端，第三十六电阻R36的另一端连接GND1信号端，此串联电阻与第三十六电阻R36组成分压电路，该分压电路经由第三十四电阻R34和第三十八电容C38组成RC滤波电路后连接第七集成电路U7的引脚11，第四十一电阻R41、第四十二电阻R42、第四十三电阻R43、第四十四电阻R44组成串联电阻，此串联电阻一端连接Uc电压输入，此串联电阻的另一端连接第四十七电阻R47的一端，第四十七电阻R47的另一端连接GND1信号端，此串联电阻与第四十七电阻R47组成分压电路，该分压电路经由第四十五电阻R45和第四十四电容C44组成RC滤波电路后连接第七集成电路U7的引脚13，Un电压输入经第六磁珠FB6连接GND1信号端。
第五十电阻R50和第四十八电容C48两端并联，此并联电路的一端连接第七集成电路U7的引脚10，此并联电路的另一端连接GND1信号端；第五十三电阻R53和第五十电容C50两端并联，此并联电路的一端连接第七集成电路U7的引脚12，此并联电路的另一端连接GND1信号端；第五十电阻R50和第五十八电容C58两端并联，此并联电路的一端连接第七集成电路U7的引脚14，此并联电路的另一端连接GND1信号端。
A相电流Ia经第一电流互感器CT1信号转换为差分信号，第一电流互感器CT1的输出端一端串联第一磁珠FB1连接第二十四电阻R24的一端经第十七电阻R17和第三十一电容C31组成的RC滤波后连接第七集成电路U7的引脚1，第二十四电阻R24的另一端连接GND1信号端，第一电流互感器CT1的输出端另一端串联第三磁珠FB3连接第二十九电阻R29的一端经第三十五电阻R35和第三十七电容C37组成的RC滤波后连接第七集成电路U7的引脚2，第二十九电阻R29的另一端连接GND1信号端。
B相电流Ib经第二电流互感器CT2信号转换为差分信号，第二电流互感器CT2输出端一端串联第四磁珠FB4连接第四十电阻R40的一端经第三十八电阻R38和第四十二电容C42组成的RC滤波后连接第七集成电路U7的引脚4，第三十电阻R40的另一端连接GND1信号端，第二电流互感器CT2的输出端另一端串联第五磁珠FB5连接四十八电阻R48的一端经第四十九电阻R49和第四十六电容C46组成的RC滤波后连接第七集成电路U7的引脚5，第四十八电阻R48的另一端连接GND1信号端。
C相电流Ic经第三电流互感器CT3信号转换为差分信号，第三电流互感器CT3的输出端一端串联第七磁珠FB7连接第五十二电阻R52一端经第五十一电阻R51和第四十九电容C49组成的RC滤波后连接第七集成电路U7的引脚7，第五十二电阻R52的另一端连接GND1信号端，第三电流互感器CT3的输出端另一端串联第九磁珠FB9连接第五十九电阻R59的一端经第六十一电阻R61和第五十七电容C57组成的RC滤波后第七集成电路U7的引脚8，第五十九电阻R59的另一端连接GND1信号端。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种三相电能表电路，其特征在于，其包括三相开关电源电路、通讯电路、数字量输出电路、MCU电路、模拟开关电路、数字隔离电路、光耦电路和三相计量电路；
所述三相开关电源电路用于为三相计量电路、通讯电路和MCU电路提供工作电压，所述三相开关电源电路包括防护电路1、三相全桥整流电路、防护电路2、PN8145T电路、次级反馈电路、开关变压器、输出电路VO1、输出电路VO2和输出电路VO3；
所述防护电路1用于在三相交流输入电路上三相输入交流电压有浪涌电压冲击时对浪涌冲击电压进行吸收以提供第一级过电压防护；
所述三相全桥整流电路用于将三相输入交流电压整流为脉动直流高压；
所述防护电路2用于将防护电路1由于吸收浪涌冲击电压而产生的残压进一步进行钳位在DC750V左右，对后级电路提供过压、过流保护；
所述PN8145T电路用于将三相全桥整流电路变换的脉动直流高压滤波成平滑的直流高压，采用开关电源芯片PN8145T电路控制开关变压器开通和关断；
所述次级反馈电路用于根据输出电路VO1的输出电压反馈控制PN8145T电路的开关以达到输出稳压；
所述开关变压器用于将PN8145T电路输入的直流高压转换为三路隔离输出低压直流电源，开关变压器工作模式为反激式电路；
所述输出电路VO1作为主回路输出端反馈控制电源芯片PN8145T开关，将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为MCU电路提供DC3.3V工作电源；
所述输出电路VO2用于将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为通讯电路提供DC5V工作电源；
所述输出电路VO3用于将开关变压器次级侧输出电压整流滤波，经LDO为三相计量电路提供DC3.3V工作电源；
所述通讯电路用于为三相电能表连接监控系统，提供RS485硬件接口；
所述数字量输出电路为用户提供电能脉冲输出接口或继电器报警输出接口，用于可配置成电能脉冲输出信号或继电器报警输出信号，当控制信号为低电平时，数字量输出电路配置为继电器报警输出信号，当控制信号为高电平时，数字量输出电路配置为电能脉冲输出信号；
所述MCU电路用于通过串口与通讯电路进行数据接收发送，控制模拟开关电路的使能信号，将数字量输出电路的输出配置为电能脉冲输出或继电器报警输出，通过SPI口读取三相计量电路的电压、电流及电能值；
所述模拟开关电路用于通过模拟开关，将数字量输出电路输出接口配置为电能脉冲输出或继电器报警输出，电能脉冲输出或继电器报警输出只能二选一；
所述数字隔离电路用于通过数字隔离器，实现MCU电路的SPI口与三相计量电路的SPI口数字通信；
所述光耦电路用于将三相计量电路输出的电能脉冲信号与模拟开关电路输入的电能脉冲信号之间电气隔离；
所述三相计量电路用于通过计量芯片对三相交流电压和电流以及电能信号进行计量和保存，通过SPI口与MCU电路进行数据交互并输出电能脉冲信号。
2.如权利要求1所述的三相电能表电路，其特征在于，所述防护电路1包括第二压敏电阻RV2、第三压敏电阻RV3和第四压敏电阻RV4，第二压敏电阻RV2的一端连接Ua电压输入、另一端连接Un电压输入，第三压敏电阻RV3的一端连接Ub电压输入、另一端连接Un电压输入，第四压敏电阻RV4的一端连接Uc电压输入、另一端连接Un电压输入；
所述三相全桥整流电路包括二极管D2-D5及二极管D10-D13，二极管D2-D5及二极管D10-D13采用LTM540，第二二极管D2的阳极和第十二极管D10的阴极串联连接Ua电压输入，第三二极管D3的阳极和第十一二极管D11的阴极串联连接Ub电压输入，第四二极管D4的阳极和第十二二极管D12的阴极串联连接Uc电压输入，第五二极管D5的阳极和第十三二极管D13的阴极串联连接Un电压输入，第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4及第五二极管D5的阴极共同连接防护电路2，第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12及第十三二极管D13的阳极共同连接防护电路2；
所述防护电路2包括第一集成模块RV1、第二十四安规电容C24和第一共模电感L1，第一集成模块RV1是由并联的电阻和压敏电阻组成，且电阻的一端为第一集成模块RV1的引脚1，电阻的另一端与压敏电阻的一端连接并输出为第一集成模块RV1的引脚2，压敏电阻的另一端输出为第一集成模块RV1的引脚3，当直流高压超过压敏电压DC750V时，第一集成模块RV1内部压敏动作，内部集成可自恢复的热敏电阻PTC启动过流热保护，第一集成模块RV1此时呈高阻状态以保护后级电路，第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4及第五二极管D5的阴极共同连接第一集成模块RV1的引脚1，第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12及第十三二极管D13的阳极共同连接第一集成模块RV1的引脚3，第一集成模块RV1的引脚2和引脚3分别与第二十四安规电容C24的两端并联，第二十四安规电容C24和第一共模电感L1组合成LC滤波电路以滤除电路中的高频干扰信号，第一共模电感L1的输入端与第二十四安规电容C24两端并联，第一共模电感L1的输出端与PN8145T电路连接；
所述PN8145T电路包括：第十一电解电容C11的负端与第二十三电解电容C23的正端串联成高压滤波电路，第十一电解电容C11正端连接第一共模电感L1的输出一端，第二十三电解电容C23负端连接第一共模电感L1的输出另一端并连接PGND信号端；第三电阻R3、第四电阻R4、第七电阻R7和第九电阻R9均为高压平衡电阻，第三电阻R3和第四电阻R4组成一串联电阻，串联电阻的一端接第十一电解电容C11的正端，串联电阻的另一端接第十一电解电容C11的负端，第七电阻R7和第九电阻R9组成另一串联电阻，另一串联电阻的一端连接第二十三电解电容C23的正端，另一串联电阻的另一端连接第二十三电解电容C23的负端；第一电阻R1、第二电容C2、第三电容C3、第七二极管D7组成RCD吸收电路，以吸收第四集成电路U4的两个SW引脚在开关过程中产生的尖峰电压，第一电阻R1、第二电容C2、第三电容C3的两端并联构成组合电路，组合电路的一端连接开关变压器T1的原边初级绕组结束脚1和第十一电解电容C11的正端，组合电路的另一端连接第七二极管D7的阴极，第七二极管D7的阳极连接开关变压器T1的原边初级绕组起始脚3和第四集成电路U4的两个SW引脚；第十四电阻R14和第十五电阻R15组成并联电路，并联电路的一端连接第四集成电路U4的CS引脚，并联电路的另一端接PGND信号端，第四集成电路U4的Comp引脚连接第二十八电容C28的一端，第二十八电容C28的另一端连接PGND信号端；第二十六电容C26和第十六电解电容C16两端并联，第十六电解电容C16的负端连接开关变压器T1的原边反馈绕组结束脚5和PGND信号端，第十六电解电容C16的正端连接第四集成电路U4的VDD引脚，第四集成电路U4的VDD引脚连接第八二极管D8的阴极，第八二极管D8的阳极通过第六电阻R6连接开关变压器T1的原边反馈绕组起始脚4，第四集成电路U4的GND引脚连接PGND信号端；
所述次级反馈电路包括：第一隔离光耦N1的输出端引脚4连接第四集成电路U4的Comp引脚，第一隔离光耦N1的输出端引脚3连接PGND信号端，第一隔离光耦N1的输入端引脚1和输入端引脚2两端并联第十一电阻R11，第一隔离光耦N1的输入端引脚1通过第十电阻R10连接输出电路VO1中第二十五电解电容C25的正端，第一隔离光耦N1的输入端引脚2连接第五集成电路U5的引脚2，第五集成电路U5采用基准芯片TL431，第十二电阻R12和第二十七电容C27组成串联电路，串联电路的一端连接第五集成电路U5的引脚2，串联电路的另一端连接第五集成电路U5的引脚1，第五集成电路U5的引脚3连接输出电路VO1的信号地，第十六电阻R16的一端连接GND信号端，另一端连接第五集成电路U5的引脚1，第十三电阻R13的一端连接输出电路VO1，另一端连接第五集成电路U5的引脚1；
所述输出电路VO1包括：第一隔离光耦N1的输入端引脚1通过第十电阻R10连接输出电路VO1中第二十五电解电容C25的正端，第五集成电路U5的引脚3连接输出电路VO1的信号地，第十三电阻R13的一端连接输出电路VO1中第二十电解电容C20的正端，第九二极管D9的阳极连接开关变压器T1的副边输出绕组VO1起始脚8，第九二极管D9的阴极连接第二十五电解电容C25的正端，第八电阻R8和第七电容C17串联组成RC吸收电路，RC吸收电路的一端连接第九二极管D9的阳极，RC吸收电路的另一端连接第九二极管D9的阴极，第二电感L2和第二十电解电容C20组成LC滤波电路，第二电感L2的一端连接第二十五电解电容C25的正端，第二电感L2的另一端连接第二十电解电容C20的正端，第二十五电解电容C25的负端和第二十电解电容C20的负端连接开关变压器T1的副边输出绕组VO1结束脚9和GND地信号端，第十八电容C18和第十九电容C19组成并联电路，并联电路的一端连接第二十电解电容C20的正端和第三LDO集成电路U3的VIN引脚，并联电路的另一端连接GND地信号端，第二十一电容C21和第二十二电容C22组成并联电路，并联电路的一端连接第三LDO集成电路U3的VOUT引脚，并联电路的另一端连接GND地信号端，第三LDO集成电路U3的GND引脚连接GND信号端，PN8145T电路的PGND信号端通过第二十九安规电容C29连接输出电路VO1的信号地，该安规电容可以提高三相开关电源电路的电磁兼容性能，输出电路VO1的信号地等于GND信号端；
所述输出电路VO2包括：第六二极管D6的阳极连接开关变压器T1的副边输出绕组VO2起始脚14，第十四电容C14和第十三电容C13组成并联电路，并联电路的一端连接第六二极管D6的阴极和第二集成电路U2的IN引脚和EN引脚，并联电路的另一端连接开关变压器T1的副边输出绕组VO2结束脚13和G485地信号端，第五电阻R5和第十二电容C12串联组成RC吸收电路，RC吸收电路的一端连接第六二极管D6的阳极，RC吸收电路的另一端连接第六二极管D6的阴极，第二集成电路U2的GND引脚连接G485地信号端，第二集成电路U2的OUT引脚通过第十五电容C15滤波输出DC5V工作电源；
所述输出电路VO3包括：第一二极管D1的阳极连接开关变压器T1的副边输出绕组VO3起始脚7，第七电容C7和第五电容C5组成并联电路，并联电路的一端连接第一二极管D1的阴极和第一集成电路U1的IN引脚和EN引脚，并联电路的另一端连接开关变压器T1的副边输出绕组VO3结束脚6和GND1地信号端，第二电阻R2和第九电容C9串联组成RC吸收电路，RC吸收电路的一端连接第一二极管D1的阳极，RC吸收电路的另一端连接第一二极管D1的阴极，第一集成电路U1的GND引脚连接GND1地信号端，第一集成电路U1的OUT引脚通过第四电容C4滤波输出DC3.3V工作电源；
所述开关变压器为反激式高频变压器。
3.如权利要求1所述的三相电能表电路，其特征在于，所述通讯电路为RS485接口电路，所述通讯电路包括：第九集成电路U9内部集成速率500kbps数字隔离器及RS485收发电路，第九集成电路U9的A引脚串联第八磁珠FB8后连接RS485接口A端，第九集成电路U9的A引脚通过上拉电阻第六十二电阻R62连接V485电源端，第九集成电路U9的B引脚串联第十磁珠FB10后连接RS485接口B端，第九集成电路U9的B引脚通过下拉电阻第五十八电阻R58连接G485地信号端，第九集成电路U9的引脚和DE引脚通过上拉电阻第五十四电阻R54连接3.3V电源端，第三三极管Q3的集电极连接第九集成电路U9的/>引脚和DE引脚，第三三极管Q3的基极通过第六十三电阻R63连接MCU电路中MCU的I/O，该I/O控制通讯电路的收发状态，当MCU的I/O为高电平时，第九集成电路U9处于接收状态，当MCU的I/O为低电平时，第九集成电路U9处于发送状态，第三三极管Q3的发射极连接GND信号端，第九集成电路U9的RXD引脚连接MCU电路中MCU的串口接收脚，第九集成电路U9的TXD引脚连接MCU电路中MCU的串口发送脚；为提高RS485电路的电磁兼容性能，第六十安规电容C60的两端分别连接第九集成电路U9的初级侧GND1引脚和次级侧GND2引脚，RS485接口A端和RS485接口B端并联第二TVS管VD2，RS485接口A端对G485信号端并联第四TVS管VD4，RS485接口B端对G485信号端并联第三TVS管VD3。
4.如权利要求1所述的三相电能表电路，其特征在于，所述数字量输出电路包括：第三隔离电路N3为固态继电器APY212G2EH，第三隔离电路N3的输出端并联一TVS管VD1，以防止输出端过压损坏固态继电器，第三隔离电路N3的输入端引脚1通过第三十九电阻R39连接3.3V电源端，第三隔离电路N3的输入端引脚2连接第二三极管Q2的集电极，第二三极管Q2的发射极连接GND信号端，第二三极管Q2的基极通过第四十六电阻R46连接模拟开关电路中第六集成电路U6的COM引脚；
所述第六集成电路U6的NC引脚连接MCU电路中MCU的继电器报警信号I/O口，第六集成电路U6的NO引脚连接光耦电路中第二隔离电路N2的输出端引脚3，第六集成电路U6的IN引脚连接MCU电路中MCU的I/O口即MCU_CTR，当控制信号MCU_CTR为低电平时，第六集成电路U6的NC引脚和COM引脚导通，数字量输出电路配置为继电器报警输出信号，当控制信号MCU_CTR为高电平时，第六集成电路U6的NO引脚和COM引脚导通，数字量输出电路配置为电能脉冲输出信号。
5.如权利要求1所述的三相电能表电路，其特征在于，所述数字隔离电路包括：第八集成电路U8通过SPI口隔离以实现数字信号隔离通信；为提高隔离的抗干扰性能，第四十七安规电容C47两端分别连接第八集成电路U8的初级侧GND1引脚和次级侧GND2引脚。
6.如权利要求1所述的三相电能表电路，其特征在于，所述光耦电路包括：第二隔离电路N2的输入端引脚1通过第十八电阻R18连接+3.3V1电源端，第二隔离电路N2的输入端引脚2连接第一三极管Q1的集电极，第一三极管Q1的发射极连接GND1信号端，第一三极管Q1的基极通过第二十八电阻R28连接三相计量电路中第七集成电路U7的电能脉冲输出脚即CF1引脚，第二隔离电路N2的输出端引脚4连接+3.3V电源端，第二隔离电路N2的输出端引脚3连接模拟开关电路中第六集成电路U6的引脚6，第二隔离电路N2的输出端引脚3通过第二十七电阻R27下拉到GND信号端，第二隔离电路N2为光耦EL816S。
7.如权利要求1所述的三相电能表电路，其特征在于，所述三相计量电路包括：第七集成电路U7为计量芯片，第一三极管Q1的基极通过第二十八电阻R28连接第七集成电路U7的电能脉冲输出脚即CF1引脚，三相电压经过电阻分压滤波后连接第七集成电路U7的电压测量通道，第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22组成串联电阻，此串联电阻一端连接Ua电压输入，此串联电阻的另一端连接第二十五电阻R25的一端，第二十五电阻R25的另一端连接GND1信号端，串联电阻与第二十五电阻R25组成分压电路，第二十五电阻R25的一端连接第二十三电阻R23的一端，第二十三电阻R23的另一端与第三十三电容C33和第七集成电路U7的VAP引脚连接，第二十三电阻R23和第三十三电容C33组成RC滤波电路，第三十电阻R30、第三十一电阻R31、第三十二电阻R32、第三十三电阻R33组成串联电阻，此串联电阻的一端连接Ub电压输入，此串联电阻的另一端连接第三十六电阻R36的一端，第三十六电阻R36的另一端连接GND1信号端，此串联电阻与第三十六电阻R36组成分压电路，第三十六电阻R36的一端连接第三十四电阻R34的一端，第三十四电阻R34的另一端与第三十八电容C38和第七集成电路U7的VBP引脚连接，第三十四电阻R34和第三十八电容C38组成RC滤波电路，第四十一电阻R41、第四十二电阻R42、第四十三电阻R43、第四十四电阻R44组成串联电阻，此串联电阻一端连接Uc电压输入，此串联电阻的另一端连接第四十七电阻R47的一端，第四十七电阻R47的另一端连接GND1信号端，此串联电阻与第四十七电阻R47组成分压电路，第四十七电阻R47的一端连接第四十五电阻R45的一端，第四十五电阻R45的另一端与第四十四电容C44和第七集成电路U7的VCP引脚连接，第四十五电阻R45和第四十四电容C44组成RC滤波电路，Un电压输入经第六磁珠FB6连接GND1信号端；
第五十电阻R50和第四十八电容C48两端并联，此并联电路的一端连接第七集成电路U7的VAN引脚，此并联电路的另一端连接GND1信号端；第五十三电阻R53和第五十电容C50两端并联，此并联电路的一端连接第七集成电路U7的VBN引脚，此并联电路的另一端连接GND1信号端；第五十电阻R50和第五十八电容C58两端并联，此并联电路的一端连接第七集成电路U7的VCN引脚，此并联电路的另一端连接GND1信号端；
A相电流Ia经第一电流互感器CT1信号转换为差分信号，第一电流互感器CT1的输出端一端串联第一磁珠FB1连接第二十四电阻R24的一端，第二十四电阻R24的一端连接第十七电阻R17的一端，第十七电阻R17的另一端与第三十一电容C31和第七集成电路U7的IAP引脚连接，第十七电阻R17和第三十一电容C31组成RC滤波电路，第二十四电阻R24的另一端连接GND1信号端，第一电流互感器CT1的输出端另一端串联第三磁珠FB3连接第二十九电阻R29的一端，第二十九电阻R29的一端连接第三十五电阻R35的一端，第三十五电阻R35的另一端与第三十七电容C37和第七集成电路U7的IAN引脚连接，第三十五电阻R35和第三十七电容C37组成RC滤波电路，第二十九电阻R29的另一端连接GND1信号端；
B相电流Ib经第二电流互感器CT2信号转换为差分信号，第二电流互感器CT2输出端一端串联第四磁珠FB4连接第四十电阻R40的一端，第四十电阻R40的一端连接第三十八电阻R38的一端，第三十八电阻R38的另一端与第四十二电容C42和第七集成电路U7的IBP引脚连接，第三十八电阻R38和第四十二电容C42组成RC滤波电路，第四十电阻R40的另一端连接GND1信号端，第二电流互感器CT2的输出端另一端串联第五磁珠FB5连接四十八电阻R48的一端，四十八电阻R48的一端连接第四十九电阻R49的一端，第四十九电阻R49的另一端与第四十六电容C46和第七集成电路U7的IBN引脚连接，第四十九电阻R49和第四十六电容C46组成RC滤波电路，第四十八电阻R48的另一端连接GND1信号端；
C相电流Ic经第三电流互感器CT3信号转换为差分信号，第三电流互感器CT3的输出端一端串联第七磁珠FB7连接第五十二电阻R52一端，第五十二电阻R52的一端连接第五十一电阻R51的一端，第五十一电阻R51的另一端与第四十九电容C49和第七集成电路U7的ICP引脚连接，第五十一电阻R51和第四十九电容C49组成RC滤波电路，第五十二电阻R52的另一端连接GND1信号端，第三电流互感器CT3的输出端另一端串联第九磁珠FB9连接第五十九电阻R59的一端，第五十九电阻R59的一端连接第六十一电阻R61的一端，第六十一电阻R61的另一端与第五十七电容C57和第七集成电路U7的ICN引脚连接，第六十一电阻R61和第五十七电容C57组成RC滤波电路，第五十九电阻R59的另一端连接GND1信号端。
8.如权利要求3所述的三相电能表电路，其特征在于，所述MCU电路中MCU为STM32F103CBT6。
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