1 引言

近年來，中國國家電網(wǎng)智能化改造非常迅猛。2013 年，中國國家電網(wǎng)公司推出新一代的智能電能 表系列標準。在新標準中，對電源供電的規(guī)格提出新的要求。

其中，智能電表中的載波通信(PLC)模塊供電規(guī)格，要求最為嚴格。新標準要求智能電表通信載波 模塊供電 12V Vcc，在滿載時的輸出電壓紋波要小于 1‰（單相智能表的滿載電流是 125mA，三相 智能表的滿載電流是 400mA）。

圖 1 是常用的三相智能表電源架構。從電源架構上看，智能表通過線性交流變壓器+整流橋的方 式，將 220Vac 降到較低的直流電壓。由于智能表需要有抗接地故障抑制能力(按國網(wǎng)標準，要求在 2 倍額定電壓的情況下，電能表不能損壞)，其輸入電壓范圍通常較寬一般需要 0.8 倍~2 倍的額定電 壓。

圖 1. 常用國網(wǎng) 3 相電表電源架構

TI 的 LM5017，是新一代高壓同步變換器。其輸入電壓范圍是 7.5V~100V，輸出電流可以達到 600mA，非常適合在三相智能表中應用。

2 紋波注入原理
在新國網(wǎng)規(guī)范中，LM5017 需要面對的主要問題是：如何實現(xiàn)載波模塊供電時的 1‰紋波輸出。 LM5017 采用恒定導通時間控制(Constant On-time Control, COT)，其內(nèi)部框圖如圖 2 所示。

LM5017 通過 Ron 來設定固定的導通時間長度 Ton。當 FB 的電壓低于 1.225V 時，內(nèi)部的快速比較器觸發(fā) COT 控制邏輯模塊輸出固定的 Ton(控制管，即上管)。Ton 時間結束后，關斷控制管，直到FB 的電壓再次低于 1.225V。

COT 控制的反饋是采用高速比較器來實現(xiàn)。為了保證高速比較器穩(wěn)定工作，COT 對 FB PIN 的紋 波會有一定的要求，LM5017 要求 FB PIN 的最小紋波是 25mV。當 LM5017 的輸出紋波需要滿足國 網(wǎng)對載 波模 塊輸 入紋 波<1‰ 的要 求時 ， 其 輸出紋 波 經(jīng)分 壓電 阻 分 壓后， 在 FB Pin 的紋波 為<1.2mV，遠低于 LM5017 的需求，有可能導致 LM5017 工作不穩(wěn)定。因此，需要外加紋波注入線 路，人為在 FB Pin 上產(chǎn)生一定的紋波，使其滿足 LM5017 的需求。

圖 2. LM5017 內(nèi)部框圖

圖 3 是一種最小紋波的紋波注入電路。其通過 SW Pin 與 Vout 的電壓在 Rr、Cr 上產(chǎn)生一個三角 波，其通過 Cac 注入 FB Pin。由于其不需要通過輸出紋波來滿足 FB pin 的 25mV 的要求，該線路 理論上可以達到輸出零紋波。

圖 3. 最小輸出紋波的紋波注入電路

增加紋波注入電路之后，COT 模式環(huán)路穩(wěn)定判定條件如下[1]：

在實際電表應用中，整流橋之后的輸出存在較大的低頻交流紋波，其對輸出紋波的影響非常大， 需要選擇合適的紋波注入?yún)?shù)。

3 參數(shù)設計

三相智能電表的給通信載波模塊供電時，DC-DC 變換器的規(guī)格如下：

輸入電壓范圍：18~50V(50V 為兩倍輸入耐壓)， 220Vac 輸入時，輸入電壓為 21V 左右。 輸出：12V/400mA，輸出電壓紋波<12mV。
開關頻率：500kHz

輸出反饋電阻：RFB1 為 1.2kohm，RFB2 為 10.5kohm

3.1 輸出電感選擇

設輸出電壓上的紋波電流為 100mA，正常輸入電壓在 21V 左右，則輸出電感為：

L1 選擇為 100uH 電感。在此采用 TDK 的 SLF10145T-101M1R0，DCR 為 0.2ohm。該電感在 19V 輸入時，輸出電流紋波為：

3.2 輸出電容選擇

輸出開關紋波為 6mV(考慮一定的裕量)，輸出電容采用瓷片電容。式 5 是計算恒定負載條件下， 滿足輸出最大允許紋波的最小輸出電容值。

因此，輸出電容選擇 10uF 瓷片電容。瓷片電容的 ESR 一般在 2mohm 左右，此應用中電容 ESR 對輸出紋波電壓的影響可以忽略不計。在實際線路中，為了降低輸入低頻紋波對輸出的影響，輸出 電容在 10uF 瓷片電容的基礎上，還并了一個 330uF 的電解電容。

3.3 Cr, Rr 選擇

當 Cr*Rr=L/DCR 時，注入的紋波等于電感 DCR 產(chǎn)生的紋波。當 Cr*Rr>L/DCR 時，注入的紋波 小于電感 DCR 產(chǎn)生的紋波。反之，當 Cr*Rr<L/DCR 時，注入紋波大于 DCR 產(chǎn)生的紋波。

電感 DCR 產(chǎn)生的紋波，可以由式 6 得到：

需要注入最小紋波為 25mV，則

需要滿足 COT 模式，環(huán)路穩(wěn)定的判據(jù)：

則 Cr 選 3300pF，Rr≤137kohm。此處，Rr 實際選擇為 100kohm。

3.4 Cac 選擇

Cac 是為了除去 Cr 上的直流電平。從實驗上看，Cac 不能太大，Cac 過大，輸出電壓的線性調(diào)整 率會變差。同時，當輸入電壓有低頻波動時，輸出電壓上也會產(chǎn)生類似的低頻波動，導致輸出電壓 紋波過大。根據(jù) COT 模式，環(huán)路穩(wěn)定的判據(jù)，可得：

因此，Cac 選擇為 470pF。

4 實驗驗證
實驗線路是按圖 4 的參數(shù)，在 LM5017 的 EVM 板進行修改。 在實際電表應用中，整流橋之后的輸出電壓存在低頻交流紋波。惡劣情況下，DC-DC 變換器的輸入電壓低頻交流紋波峰-峰值可能達到 0.8V 左右。在實驗中我們采用直流電源的 VRAMP 功能，在直流電平上產(chǎn)生一個交流三角波，來模擬實際電表中出現(xiàn)的情況。

圖 4. LM5017 原理圖(12V@400mA)

從實驗上看，Cac(C3)與 Rr(R1)值的大小，對輸出低頻交流紋波有較大的影響。Cac 越大時，輸 出低頻紋波越大。Rr 值越小，輸出低頻紋波越大。

圖 5~圖 8 的測試條件為：輸入電壓 21V(交流分量的峰峰值為 0.8V)，輸出為 12V@400mA。如圖 5、圖 6 所示，當 Cac 為 0.1uF、10nF 時，輸出紋波的峰峰值(含低低頻分量)為 21.2mV、
20.4 mV。在相同的外圍參數(shù)的情況下，將 Cac 改為 470pF，如圖 7 所示，輸出紋波的峰峰值降為
10.8mV。

如圖 8 所示，與圖 7 相比，Rr 降為 49.9kohm，其輸出紋波的峰峰值增大到 14.4mV。

圖 5. Cac 為 0.1uF 時，輸入、輸出電壓紋波(400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF)

圖 6. Cac 為 10nF 時，輸入、輸出電壓紋波(400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF)

圖 7. Cac 為 470pF 時，輸入、輸出電壓紋波(400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF)


圖 8. Rr 為 49.9kohm 時，輸入、輸出電壓紋波(400mA 輸出，Cac 為 470pF，Cr 為 3300pF)

圖 9. 不同 Cac 的輸入線性調(diào)整率(400mA 輸出，Rr 為 100kohm，Cr 為 3300pF)

圖 9 是在不同 Cac 時的輸入線性調(diào)整率比較，其測試條件為：輸入電壓是直流電壓，輸出電流為400mA，Rr 為 100koh，Cr 為 3300pF。從圖中可看出 Cac 越小，輸出電壓的線性調(diào)整率越好。

5 總結

LM5017 可以通過適當?shù)募y波注入?yún)?shù)的選擇，可以實現(xiàn)載波模塊供電時的 1‰紋波輸出。按本 文給出的紋波注入?yún)?shù)的計算方式，與實際測試非常吻合。