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智能電表 | 一站式芯片解決方案
隨著科技的不斷發(fā)展，智能家居產(chǎn)品越來越受到人們的喜愛。今天，就讓我們一起來了解一下智能電表如何讓我們的生活變得更加節(jié)能、更加便捷！
智能電表是一種集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和顯示于一體的電力計(jì)量設(shè)備。它具有遠(yuǎn)程抄表、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等功能，有助于提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和管理水平。下述兩張框圖展示了不同的電表供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
圖 1 是我國當(dāng)前最普遍的電表供電方案，即采用線性變壓器為第一級(jí)電源。圖 2 則是海外電表、物聯(lián)網(wǎng)電表以及三相電表供電方案， 為了支持更高功率或更廣泛的輸入電壓范圍，其第一級(jí)電源通常采用開關(guān)電源技術(shù)。
圖 1. 線性變壓方案單相智能電表
系統(tǒng)框圖
圖 2. 開關(guān)電源方案單相智能電表
系統(tǒng)框圖
此外，在電表中 HPLC (高速電力線通信) 通訊模塊占據(jù)著一個(gè)至關(guān)重要的地位。該技術(shù)能夠利用現(xiàn)有的 220V 電力線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，徹底替代了傳統(tǒng)的人工抄表方式，大幅降低了人力和物力成本。下圖為對應(yīng)系統(tǒng)框圖。
圖 3. HPLC 模塊系統(tǒng)框圖
必易微作為高性能模擬及數(shù)?；旌闲酒?yīng)商，能夠針對上述幾種系統(tǒng)應(yīng)用，為客戶提供 AC-DC、DC-DC、LDO 和限流開關(guān)等多樣化的整體芯片解決方案，滿足電表應(yīng)用的高可靠性和高性能需求。
DC-DC 方案
對于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，必易微提供多種選項(xiàng)，包括 100V 1A；40V 0.6A&1A、30V 2&3A、28V 2A、17V 2A~6A 等不同電壓和電流規(guī)格全腳位兼容的 SOT23-6 方案；5.5V 低壓 1A~2A 的全腳位兼容 SOT23-5 方案；以及 18V eFuse 的完整電力系統(tǒng)電源解決方案。其中，KP520429 是專為電表設(shè)計(jì)，具備超低紋波、高可靠性、高效率、高抗干擾能力和高集成度的 DC-DC 解決方案。
圖 4. KP52042X 典型應(yīng)用電路
亮點(diǎn) 1
簡單可靠
KP5204XX 和 KP5214XX 系列產(chǎn)品內(nèi)置了 40V 0.6A 和1A的高壓側(cè)和低壓側(cè)功率MOSFET，具備高達(dá) 45V 的輸入電壓耐受能力。該產(chǎn)品系列擁有極致優(yōu)化外圍器件數(shù)量，簡化電路降低 BOM 成本并與市面上主流的同步和非同步方案在管腳上完全兼容，能夠直接替換現(xiàn)有方案。
KP52X4XX 采用優(yōu)化的 PCM 控制模式，專為應(yīng)對諸如電表等復(fù)雜電磁環(huán)境的應(yīng)用而優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提升了抗干擾性能。此外，該系列芯片提供多重保護(hù)機(jī)制，包括高精度逐周期高邊和低邊 MOS 限流保護(hù) (OCL) 、輸入欠壓保護(hù)、輸出欠壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、過溫保護(hù)等。另外通過使能控制提供了精確的可調(diào)節(jié)的欠壓鎖定功能。產(chǎn)品通過一系列的保護(hù)措施，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
圖 5. KP520429 輸出短路
保護(hù)波形
圖 6. KP520429 短路故障
消除波形
亮點(diǎn) 2
高精度低溫漂，低紋波噪聲，
高轉(zhuǎn)換效率
電表通常部署在戶外，需要在極端的氣候條件下保持穩(wěn)定可靠的工作。KP52X4XX 系列的工作結(jié)溫范圍從 -40℃ 到 125℃，此范圍能夠滿足電表及其他工業(yè)設(shè)備的工作要求。具備 0.8V 0.8% 的常溫基準(zhǔn)精度和 1.5% 的全溫范圍基準(zhǔn)精度，確保了在整個(gè)工作范圍內(nèi)的高精度輸出。
針對國家電網(wǎng)對 12V 輸出紋波噪聲的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，即峰峰值 12mV 的要求，KP520429 產(chǎn)品專門為此進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。其 2.1MHz 的典型工作頻率有助于實(shí)現(xiàn)超低紋波輸出。同時(shí)工作頻率的穩(wěn)定性避免了頻率抖動(dòng)引起的低頻紋波問題。因此 KP520429 能夠通過極其精簡的電路設(shè)計(jì)滿足國網(wǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求。
圖 7. KP520429 和 KP521419
電表應(yīng)用典型電路
為了達(dá)到超低紋波輸出的要求，客戶通常需要使用 470μF 至 1000μF 的電解電容進(jìn)行濾波。但這會(huì)限制帶載啟動(dòng)電流能力。KP520429 的 100nF Cff 電容可以在芯片固定 2ms 軟啟的基礎(chǔ)上延長軟啟時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在滿載條件下帶載啟動(dòng)。
圖 8. KP520429 滿載帶載啟動(dòng)波形
FPWM 工作模式可以保證 0mA 到滿載范圍內(nèi)超低紋波：
圖 9. KP520429 0A
空載紋波波形
圖 10. KP520429 0.6A
滿載紋波波形
KP520429 內(nèi)部集成了高邊 MOSFET (450 mΩ) 和低邊 MOSFET (240mΩ)，結(jié)合優(yōu)化的芯片布局和先進(jìn)的封裝工藝，能夠提供卓越的效率和溫升控制性能。
圖 11. KP520429 12V
輸出效率曲線
圖 12. KP520429 12V
0.6A 滿載溫升
亮點(diǎn) 3
豐富多樣化的方案
必易微提供不同工作電壓，多種腳位配置，各種基準(zhǔn)電壓，不同封裝類型，多種工作頻率以及抖頻等選項(xiàng)，以滿足客戶多樣化需求，助力客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，并降低系統(tǒng)成本。
KP520401/09 系列針對單模 HPLC 應(yīng)用，擁有最大 720kHz 的工作頻率，有效避開 HPLC 載波 800kHz 的下限，同時(shí)充分利用高頻 DC-DC 轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。40V 抖頻系列產(chǎn)品則為非千一紋波要求的場合提供了優(yōu)化的傳導(dǎo) EMC 解決方案。KP522308 系列是一款 2A 28V 的產(chǎn)品，與 40V 產(chǎn)品管腳兼容，其 2A 的持續(xù)輸出電流能力能夠完美滿足物聯(lián)網(wǎng)電表模塊升級(jí)時(shí)的電流需求。
表 1. DC-DC 選型表
LDO 方案
在 LDO 領(lǐng)域，針對電表應(yīng)用，必易微推出 KP7122XX 和 KP7112XX 兩款產(chǎn)品，KP7122XX 具有高電源抑制比、極低靜態(tài)電流和低輸出噪聲，提供 3.3V 350mA 的輸出規(guī)格。KP7112XX 作為一款低壓差 LDO 可提供 2.5V 300mA 的輸出。
方案 1：KP7122XX
KP7122XX 是一款小體積、低 dropout 電壓的線性穩(wěn)壓器 (LDO)，最大可提供 350mA 輸出電流，具有極低的輸出電壓噪聲、高 PSRR 以及優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，特別適用于信號(hào)敏感電路，靜態(tài)電流低至 8μA，可用于電池供電設(shè)備。內(nèi)置過流/短路保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。
亮點(diǎn) 1
精簡的設(shè)計(jì)，小體積封裝
KP7122XX 可提供 DFN1x1-4、SOT23-5、SOT23-3 封裝。
圖 13. KP7122XX 典型應(yīng)用電路
亮點(diǎn) 2
優(yōu)異動(dòng)態(tài)性能
KP7122XX 具有超快瞬態(tài)響應(yīng)，由下面所示的負(fù)載跳變實(shí)驗(yàn)可以看出，在1mA-330mA-1mA，tr=1μS 時(shí)，ΔVout 分別在 50mV 和 40mV 以內(nèi)，瞬態(tài)響應(yīng)優(yōu)秀。
圖 14. 瞬態(tài)響應(yīng)
IOUT=1-330mA，tr=1μS
圖 15. 瞬態(tài)響應(yīng)
IOUT=330-1mA，tr=1μS
亮點(diǎn) 3
高電源抑制比 (PSRR)
KP7122XX 具有高電源抑制比，可以有效抑制前級(jí) DC-DC 變換器帶來的紋波干擾，由 PSRR 測試實(shí)驗(yàn)：在輸入 5V，帶載 20mA 情況下，1kHz 處達(dá)到 95dB，另外該芯片還具有低輸出噪聲，不超過 8μVrms。
圖 16. VIN=5V VOUT=3.3V
COUT=1μF IOUT=20mA
方案 2：KP7112XX
KP7112XX 系列是一款最大工作電流 300mA，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和高電源抑制比的線性穩(wěn)壓器。芯片具有高輸出電壓精度，低輸出壓降壓，低靜態(tài)電流以及快速啟動(dòng)時(shí)間。
表 2. LDO 選型表
AC-DC 方案
方案 1
KP2813A
KP2813A 是一款高功率因數(shù)、低總諧波失真、原邊控制反激恒壓型 PFC 控制器。芯片內(nèi)置高壓啟動(dòng)電路，可滿足快速啟動(dòng)和超低待機(jī)要求；采用準(zhǔn)諧振工作方式，系統(tǒng)工作效率高的同時(shí)，還能獲得較好的 EMC 性能。芯片配有分檔可調(diào)的自適應(yīng)輸出電壓限制機(jī)制，以加快負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小動(dòng)態(tài)電壓過沖。
芯片集成有完備的保護(hù)功能，包括：VDD 欠壓保護(hù) (VDD UVLO)、VDD 過壓保護(hù) (VDD OVP)、輸入欠壓保護(hù) (BOP)、輸出過壓保護(hù) (OVP)、輸出欠壓保護(hù) (UVP)、逐周期電流限制 (OCP)、異常過流保護(hù) (AOCP)、過載保護(hù) (OLP)、短路保護(hù) (SCP)、內(nèi)置過熱保護(hù)(OTP)、前沿消隱 (LEB) 等。
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