智能电表 | 必易微提供一站式芯片解决方案

时间:2024-01-29 13:42来源:

摘要:随着科技的不断发展,智能家居产品越来越受到人们的喜爱。今天,就让我们一起来了解一下智能电表如何让我们的生活变得更加节能、更加便捷!

随着科技的不断发展,智能家居产品越来越受到人们的喜爱。今天,就让我们一起来了解一下智能电表如何让我们的生活变得更加节能、更加便捷!
 
智能电表是一种集数据采集、传输、处理和显示于一体的电力计量设备。它具有远程抄表、实时监控、数据分析等功能,有助于提高电力系统的运行效率和管理水平。下述两张框图展示了不同的电表供电系统设计。
 
图 1 是我国当前最普遍的电表供电方案,即采用线性变压器为第一级电源。图 2 则是海外电表、物联网电表以及三相电表供电方案, 为了支持更高功率或更广泛的输入电压范围,其第一级电源通常采用开关电源技术。

图 1. 线性变压方案单相智能电表
系统框图

图 2. 开关电源方案单相智能电表
系统框图
 
此外,在电表中 HPLC (高速电力线通信) 通讯模块占据着一个至关重要的地位。该技术能够利用现有的 220V 电力线实现远程自动抄表,彻底替代了传统的人工抄表方式,大幅降低了人力和物力成本。下图为对应系统框图。

图 3. HPLC 模块系统框图
 
必易微作为高性能模拟及数模混合芯片供应商,能够针对上述几种系统应用,为客户提供 AC-DC、DC-DC、LDO 和限流开关等多样化的整体芯片解决方案,满足电表应用的高可靠性和高性能需求。
 
DC-DC 方案
对于 DC-DC 转换器,必易微提供多种选项,包括 100V 1A;40V 0.6A&1A、30V 2&3A、28V 2A、17V 2A~6A 等不同电压和电流规格全脚位兼容的 SOT23-6 方案;5.5V 低压 1A~2A 的全脚位兼容 SOT23-5 方案;以及 18V eFuse 的完整电力系统电源解决方案。其中,KP520429 是专为电表设计,具备超低纹波、高可靠性、高效率、高抗干扰能力和高集成度的 DC-DC 解决方案。
图 3. HPLC 模块系统框图
 
必易微作为高性能模拟及数模混合芯片供应商,能够针对上述几种系统应用,为客户提供 AC-DC、DC-DC、LDO 和限流开关等多样化的整体芯片解决方案,满足电表应用的高可靠性和高性能需求。
 
DC-DC 方案
对于 DC-DC 转换器,必易微提供多种选项,包括 100V 1A;40V 0.6A&1A、30V 2&3A、28V 2A、17V 2A~6A 等不同电压和电流规格全脚位兼容的 SOT23-6 方案;5.5V 低压 1A~2A 的全脚位兼容 SOT23-5 方案;以及 18V eFuse 的完整电力系统电源解决方案。其中,KP520429 是专为电表设计,具备超低纹波、高可靠性、高效率、高抗干扰能力和高集成度的 DC-DC 解决方案。

图 4. KP52042X 典型应用电路
 
亮点 1:简单可靠
KP5204XX 和 KP5214XX 系列产品内置了 40V 0.6A 和1A的高压侧和低压侧功率MOSFET,具备高达 45V 的输入电压耐受能力。该产品系列拥有极致优化外围器件数量,简化电路降低 BOM 成本并与市面上主流的同步和非同步方案在管脚上完全兼容,能够直接替换现有方案。
 
KP52X4XX 采用优化的 PCM 控制模式,专为应对诸如电表等复杂电磁环境的应用而优化设计,有效提升了抗干扰性能。此外,该系列芯片提供多重保护机制,包括高精度逐周期高边和低边 MOS 限流保护 (OCL) 、输入欠压保护、输出欠压保护、输出过压保护、过温保护等。另外通过使能控制提供了精确的可调节的欠压锁定功能。产品通过一系列的保护措施,确保了系统的稳定性和可靠性。

亮点 2:高精度低温漂,低纹波噪声,高转换效率
电表通常部署在户外,需要在极端的气候条件下保持稳定可靠的工作。KP52X4XX 系列的工作结温范围从 -40℃ 到 125℃,此范围能够满足电表及其他工业设备的工作要求。具备 0.8V  0.8% 的常温基准精度和 1.5% 的全温范围基准精度,确保了在整个工作范围内的高精度输出。
 
针对国家电网对 12V 输出纹波噪声的严格标准,即峰峰值 12mV 的要求,KP520429 产品专门为此进行了设计和优化。其 2.1MHz 的典型工作频率有助于实现超低纹波输出。同时工作频率的稳定性避免了频率抖动引起的低频纹波问题。因此 KP520429 能够通过极其精简的电路设计满足国网的各项指标要求。


图 7. KP520429 和 KP521419典型应用电路
 
为了达到超低纹波输出的要求,客户通常需要使用 470μF 至 1000μF 的电解电容进行滤波。但这会限制带载启动电流能力。KP520429 的 100nF Cff 电容可以在芯片固定 2ms 软启的基础上延长软启时间,进而实现在满载条件下带载启动。


图 8. KP520429 满载带载启动波形
 
FPWM 工作模式可以保证 0mA 到满载范围内超低纹波:

 

KP520429 内部集成了高边 MOSFET (450 mΩ) 和低边 MOSFET (240mΩ),结合优化的芯片布局和先进的封装工艺,能够提供卓越的效率和温升控制性能。

图 11. KP520429 12V 输出效率曲线            图 12. KP520429 12V 0.6A 满载温升
亮点 3:丰富多样化的方案
必易微提供不同工作电压,多种脚位配置,各种基准电压,不同封装类型,多种工作频率以及抖频等选项,以满足客户多样化需求,助力客户缩短产品开发周期,并降低系统成本。
 
KP520401/09 系列针对单模 HPLC 应用,拥有最大 720kHz 的工作频率,有效避开 HPLC 载波 800kHz 的下限,同时充分利用高频 DC-DC 转换的优势。40V 抖频系列产品则为非千一纹波要
求的场合提供了优化的传导 EMC 解决方案。KP522308 系列是一款 2A 28V 的产品,与 40V 产品管脚兼容,其 2A 的持续输出电流能力能够完美满足物联网电表模块升级时的电流需求。
 
表 1. DC-DC 选型表
 
LDO 方案
在 LDO 领域,针对电表应用,必易微推出 KP7122XX 和 KP7112XX 两款产品,KP7122XX 具有高电源抑制比、极低静态电流和低输出噪声,提供 3.3V 350mA 的输出规格。KP7112XX 作为一款低压差 LDO 可提供 2.5V 300mA 的输出。
 
方案 1:KP7122XX
KP7122XX 是一款小体积、低 dropout 电压的线性稳压器 (LDO),最大可提供 350mA 输出电流,具有极低的输出电压噪声、高 PSRR 以及优良的动态特性,特别适用于信号敏感电路,静态电流低至 8μA,可用于电池供电设备。内置过流/短路保护、过温保护等功能。
 亮点 1:精简的设计,小体积封装
KP7122XX 可提供 DFN1x1-4、SOT23-5、SOT23-3 封装。

图 13. KP7122XX 典型应用电路
 
亮点 2:优异动态性能
KP7122XX 具有超快瞬态响应,由下面所示的负载跳变实验可以看出,在1mA-330mA-1mA,tr=1μS 时,ΔVout 分别在 50mV 和 40mV 以内,瞬态响应优秀。
 
图 14. 瞬态响应 IOUT=1-330mA,tr=1μS     图 15. 瞬态响应 IOUT=330-1mA,tr=1μS

亮点 3:高电源抑制比 (PSRR)
KP7122XX 具有高电源抑制比,可以有效抑制前级 DC-DC 变换器带来的纹波干扰,由 PSRR 测试实验:在输入 5V,带载 20mA 情况下,1kHz 处达到 95dB,另外该芯片还具有低输出噪声,不超过 8μVrms。

图 16. VIN=5V VOUT=3.3V COUT=1μF IOUT=20mA
 
方案 2:KP7112XX
KP7112XX 系列是一款最大工作电流 300mA,具有快速瞬态响应和高电源抑制比的线性稳压器。芯片具有高输出电压精度,低输出压降压,低静态电流以及快速启动时间。

表 2. LDO 选型表
AC-DC 方案
方案 1:KP2813A
KP2813A 是一款高功率因数、低总谐波失真、原边控制反激恒压型 PFC 控制器。芯片内置高压启动电路,可满足快速启动和超低待机要求;采用准谐振工作方式,系统工作效率高的同时,还能获得较好的 EMC 性能。芯片配有分档可调的自适应输出电压限制机制,以加快负载动态响应速度,减小动态电压过冲。
 
芯片集成有完备的保护功能,包括:VDD 欠压保护 (VDD UVLO)、VDD 过压保护 (VDD OVP)、输入欠压保护 (BOP)、输出过压保护  (OVP)、输出欠压保护 (UVP)、逐周期电流限制  (OCP)、异常过流保护 (AOCP)、过载保护 (OLP)、短路保护 (SCP)、内置过热保护(OTP)、前沿消隐 (LEB) 等。

表 3. AC-DC 方案选型表
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