使用 eFuse使得智能电表的核心开关模式电源 (SMPS)更加坚固可靠

1.前言

取代现有的电表（仍然使用几十年前开发的技术），智能电表使用安全连接网络自动和无线地将能源使用情况发送给公用事业公司。智能电表的核心是其开关模式电源 (SMPS)，它使用适用于单相和三相智能电表的低成本反激式拓扑。

2.具体方案

图 1 中所示的反激式转换器首先在主电源开关打开时将能量从输入源存储到变压器中。当开关关闭时，变压器电压反转，正向偏置输出捕捉二极管并将能量输送到输出。对于反激式拓扑，输出可以是正的或负的（由变压器极性点定义）。

图 1：基本反激框图

对于多输出，该技术是在变压器上有多个绕组，然后是二极管和电容器电路，如图 2 所示。

图 2：多输出反激框图

图 3 显示了单相/三相智能电表的 SMPS 方案的框图。典型的导轨是：

· 3.3V 为微控制器供电。

· 12V 用于连接/断开的闭锁继电器。

· 6V-9V 用于隔离的 RS-485/RS-232 接口。

· 16V 用于可编程逻辑控制器 (PLC) 通信。

· 3.8V-4.2V 用于全球移动通信系统 (GSM)/通用分组无线电服务 (GPRS) 调制解调器。

· Sub-1 GHz 射频 (RF) 模块为 3.3V。

· 3.3V 用于 2.4GHz 射频模块。

图 3：智能电表中的 SMPS 方案

在智能电表中使用的多输出反激拓扑中，一个输出为主，其余输出为从。“一个输出为主”表示该输出上的反馈回路是闭合的；因此，主输出得到很好的调节，而其余的轨则是准调节的。交流叠层绕组、直流叠层绕组和加权反馈等各种技术可以改善调节。但是过载/短路保护在多输出电源中提出了许多挑战。脉宽调制 (PWM) 控制器将在任何输出过载或短路时进入打嗝模式。所有电压轨以及为微控制器供电的主要 3.3V 轨都将崩溃。由于微控制器电压轨已经崩溃，它无法测量能量，从而违背了智能电表的初衷。

与传统的线性电源相比，开关电源的优势在于效率高（此处的效率可以简单的看作输入功率与输出功率之比），加之开关晶体管工作于开关状态，损耗较小，发热较低，不需要体积/重量非常大的散热器，因此体积较小、重量较轻。但开关电源工作时，由于频率较高，会对电网及周围设备造成干扰，因此，必须妥善的处理此问题。

线性电源的优势在于结构相对简单，可靠性相对较高，电流纹波率可以很容易的做到比较低，维修也较为方便。

实际上，现代的电路中，开关电源电路和线性电源电路在大多数情况下，是组合使用的——使用开关电源进行初步的变换，给纹波、精度要求不高的电路使用；同时，使用低压差线性电源电路（LDO）获取精密的、低纹波（噪声）的电压供诸如运算放大器（OP-AMP），模数转换电路（A/DConverter）使用。

开关电源的拓扑指开关电源电路的构成形式。一般是根据输出地线与输入地线有无电气隔离，分为隔离及非隔离变换器。非隔离即输入端与输出端相通，没有隔离措施，常见的DC/DC变换器大多是这种类型。所谓隔离是指输入端与输出端在电路上不是直接联通的，使用隔离变压器通过电磁变换方式进行能量传递，输入端和输出端之间是完全电气隔离的。通常来说，为了保护使用者的人身安全，使用主要供电(市电)或输入电压高于安全电压（目前公认是36伏特）的开关电源必须是隔离式。

3.使用eFuse进行保护

图 4 显示了建议的 SMPS 方案，该方案采用 TI 的电子保险丝 (eFuse)，以解决当前方案中提到的所有问题和缺点。TPS25921 可以处理闭锁继电器、PLC 和 RS-485/RS-232 接口导轨，而 TPS25200 可以处理低于 1 GHz、zigbee® 和 GSM/GPRS 调制解调器通信导轨。

图4：建议的智能电表 SMPS 方案

TI 的 eFuse 是一种有源电路保护器件，可限制浪涌电流并防止过流事件造成的负载损坏。它有一个内部场效应晶体管（FET）来控制负载电流，并集成了过流和短路保护。图 5 显示了它的框图。

图 5：eFuse 框图

精确的过流限制有助于最大限度地减少电源的过度设计，而快速响应的短路保护立即将负载与输入隔离。这些器件使您能够使用外部电阻器对过流限制阈值进行编程。其他功能包括过热保护以在过流情况下安全关闭，并可选择锁定或自动重启模式。

因此，eFuse 器件将有助于隔离发生过载或短路事件的电源轨，而不会影响测量能量的主微控制器电源轨 (3.3V)。