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设计具有电路保护、传感和电源控制功能的智能电表

2018年12月04日通过Philippe Di Fulvio，Littelfuse Inc

本文概述了智能仪表设计的各种组件选项以及它们如何改善它们所设计的仪表的运行。

曾经藏在蛛网密布的地下室和灌木丛后面的电表，现在正成为节能工作的主要参与者。最新一代的“智能”电表、水表和煤气表现在为商业和住宅客户提供了他们需要更明智地使用这些资源的信息。它们还允许公用事业公司远程监控使用情况，在很大程度上消除了手动读数的需要;他们甚至可以平滑电网功率峰值点篡改，泄漏，过量温度等。

从传统机电电表到智能电表的转换为电表设计人员提出了各种挑战，因为他们努力开发与高级计量基础设施(AMI)兼容的解决方案。这使得智能电表能够集成到快速发展的物联网(IoT)中，从而支持远程通信和故障检测。然而，有一件事保持不变，那就是安装这些仪表的公用事业公司需要它们足够坚固，能够可靠地运行几十年，并在它们的生命周期中提供准确的测量。要做到这一点，它们必须集成越来越多的电路保护、传感和功率控制组件。

电路保护部件

与过去相比，如今智能电表中复杂的电子yabosports官网学要求对电瞬变(ESD)、电涌(如雷击等过流)和其他事件提供更大的保护。图1是典型住宅电表中各子系统的高层框图。图2展示了煤气表和水表共有的多个功能块。

智能电表子系统。

图1所示。智能电表子系统。

图2。智能气体和水表子系统。

电能表从电网中获取电力，电网受到雷电、电感负载切换或电容组切换产生的高能量瞬变的影响。为了保护输入电源电路，设计人员通常选择具有足够高的额定电压的金属氧化物压敏电阻(MOVs)来承受交流线路电压。

当短暂的过压瞬态超过这些限制时，MOV将其迅速将其夹紧到合适的电压电平。但是，如果MOV经受持续的异常过电压，有限的电流条件，则MOV可以进入热失控，导致过热，烟雾和潜在的火灾。在可能发生这种情况的情况下，例如在电表中，设计者通常会选择热保护的压敏电阻（TMOV）而不是（图3），该电压器（图3）集成了将打开电路的设备的主体内的热响应元件在过热的情况下变阻器。

TMOV和iTMOV热保护压敏电阻

图3。类似于这些TMOV和ITMOV器件的热保护压敏电阻可以保护智能电表的输入电源电路免受持续过电压。

电力表容易受到雷击事件或电能质量干扰所产生的输入瞬变和突波的影响。这些瞬态电压可达20千伏，取决于各种因素，包括地理位置、附近连接的负载类型等。MOVs是用于保护这些电涌的主要设备。所需的浪涌免疫水平决定了MOV的等级和大小。对于2kv和4kv之间的基本防雷，14mm MOV可能会起作用。然而，对于20千伏的保护水平，需要更大的MOV或TMOV。

由于它们是具有有限寿命的无源器件，MOVs在寿命结束阶段存在一些固有的问题。例如，一旦它们到达生命的终点，它们会对自己造成损害，并对其电子电路构成威胁。MOV在失败之前只能承受一定次数的冲击，而这种冲击能力取决于MOV光盘的大小和MOV被设计用来吸收的冲击的大小。

因此，在选择MOV时，除了考虑所需的峰值浪涌免疫外，考虑系统的预期寿命也很重要。例如，考虑一个需要使用20年并需要6kv保护的系统。即使20mm的MOV能够满足6kv / 3ka, 15次冲击的标准，25mm或更大的MOV可能会在仪表的生命周期内提供承受更多冲击的能力。足够的降额的MOVs使用是至关重要的，以确保系统的预期寿命。

一些较新的规范还要求保护这些MOV免受寿命终端失败。对于这些应用，TMOV通常用于在寿命期间继续保护电路。一旦他们到达寿命阶段，它们就会断开电路的连接，以防止灾难性的损坏。TMOV也可以有一个指示特征，警告保护器失败的仪表并需要更换。

在快速上升瞬态也可能损坏电源部分的设计中，瞬态电压抑制（TVS）二极管通常与具有适当协调元件的MOV结合使用。这些器件钳位快速上升的瞬变，而前端MOV在这些瞬变中吸收大部分高能量。

为了保护电线不受火灾的危害，以防电源的灾难性损坏导致短路，设计师通常在电源的输入前端安装保险丝。如Littelfuse 215、514和835系列的盒式保险丝可以帮助他们满足由电能表安全标准驱动的单故障测试要求。

在智能仪表中，微控制器或数字信号处理器通常控制能量测量和处理功能。该设备的I / O需要浪涌抑制，通常由电视二极管提供，如Littelfuse SMAJ或SMBJ系列。

虽然微控制器的电源不受瞬态浪涌的影响，但微控制器的模拟信号传感管脚被连接到输入电源，用于测量电压和电流。这些信号管脚通常有一个高值的电阻和电容连接用于滤波，但一些快速上升的瞬态可以通过这些滤波级到达微控制器，微控制器对瞬态非常敏感。为了防止对微控制器造成损坏，在信号引脚上使用了紧凑的瞬态保护二极管，将任何传入的瞬态箝位到安全水平。

为了将使用情况和其他数据传输回公用事业公司，电表将配备任意数量的通信端口，如RS-232、RS-485、以太网、GSM、GPRS、Zigbee电力线通信(PLC)或光端口。由于每种端口类型都有不同的运行速度和规格，因此需要不同的保护方法。

例如，热保护压敏电阻(TMOV)是PLC端口的最佳防雷装置，但低寄生电容的TVS二极管阵列(图5)最常用来保护无线接口，如GPRS、GSM、Zigbee等。硬线接口如RS-232, RS-485和以太网要求使用气体放电管(GDT)和SIDACtor®保护晶闸管具有低寄生电容，如SEP0xx系列。

光隔离器如克莱尔(现在IXYS) CPC130x, CPC590x，或CP50xx系列经常用于提供微控制器和收发器之间的电隔离。通过IXYS LIA130系列中的光隔离器，还可以实现一次侧的电绝缘和电源单元的输出电压负载调节。

电视二极管阵列具有SESD0402系列的低寄生电容，通常用于保护无线通信端口。

图5。电视二极管阵列具有SESD0402系列的低寄生电容，通常用于保护无线通信端口。

任何智能仪表辅助I/O都需要短路和过压过载保护。合适的解决方案包括固态继电器，如Littelfuse CPC15xx系列结合SMCJ系列TVS二极管和/或216系列保险丝。

智能煤气表和水表通常由一个固定的内部电池供电，电池的大小可以使用10年。最常用的电池化学成分是锂离子(Li-ion)。由于这些电池具有显著的容量，一个可复位保险丝(图6)，如Littelfuse飞托smd或纳米smd系列PPTC是必要的，以防止短路故障造成的电路故障。

表面安装可复位PPTC

图6。表面贴装可复位PPTC(聚合物正温度系数)装置广泛应用于电池短路保护。

传感组件

与电路保护元件一样，传感器也广泛应用于电能表中，如水表和煤气表中的流量测量装置。像Littelfuse MDSR-10系列的簧片开关提供了准确和可靠的流量计数技术，也提供了不吸取任何电源的优势。

对燃气和水表设计者来说，低功耗越来越重要。事实上，电池寿命是这些仪表最关键的资源，必须节约使用，以延长仪表的寿命。这些智能仪表的传感信号来自磁化编码器和使用簧片开关传感器(图7);然后信号被馈送给微控制器。智能电表可以设计成只有当簧片开关感应到脉冲时，微控制器才会开启。在记录脉冲计数后，它会回到睡眠模式，这有助于延长电池寿命。

玻璃封装簧片开关要求触点闭合时工作功率为零。

图7。玻璃封装簧片开关要求触点闭合时工作功率为零。

不幸的是，希望通过用仪表篡改以操纵读数并减少（或消除）他们将收取的金额来“游戏系统”的公用事业客户始终有一定比例的公用事业客户。为了打击这一点，智能电表通常设计有各种篡改检测策略。

最常用的篡改方法就是简单地打开仪表盖，损坏线路。然而，在设计中集成一个簧片开关(如Littelfuse 59166或MDSM-4系列)和一个磁铁或微开关，允许仪表检测盖子何时被打开，并向微控制器发送触发器。电池供电的仪表通常使用簧片开关作为防篡改的解决方案，因为它们不消耗电池电源，并延长了它们的寿命。

仪表篡改的另一种方法涉及将靠近仪表的身体的强大电磁磁体，可以使磁变压器饱和或影响其他组件。但是，通过在设计中采用霍尔效应传感器，仪表可以检测磁场并向微控制器发送触发器，以记录篡改事件并通知该公用事业公司。

对于任何一种篡改方法，微控制器在识别尝试后，通知公用事业公司的监控支持人员，后者可以安排现场跟踪，并可能对用户施加篡改惩罚。

考虑到过度的温度会影响智能仪表的准确性并缩短其有用的寿命，仪表设计人员经常使用NTC（负温度系数）芯片和子组件进行温度测量和过温检测。此外，可以使用新一代的热指示灯（图8），减轻温度敏感区域（如仪表电源插座，电流传感器，振荡器和RF模块）的性能漂移（图8）。

热指标

图8。智能电表需要强大的热保护持续数十年，因此设计师越来越需要允许它们识别时温度升高的设备。

电源控制组件

功率控制部件广泛用于智能电表，用于负载开关和能量脉冲耦合功能。像IXYS LCA182和PLA192这样的固态继电器（SSRS）提供了对脉冲输出信号的机电继电器的优势，因为没有磨损接触。SSR负载输出如IXYS CPC139X和CPC19XX系列可用于驱动电源电压的接触器继电器，以控制不同的负载，例如加热。

一些工业电表采用光隔离固态继电器(SSR)输出，因为它们可以通过可编程的周日历、动态命令或主动信息管理系统进行控制。SSRs的其他智能电表应用包括定制负载输出、有功/无功功率、费率开关、报警输出、限制功耗和能量方向接触。

许多智能电表设计人员正转向功率mosfet来实现功率转换功能，如输入电压预调节和降压转换。尽管用于供应仪表电子的内部电源通常使用简单、便宜的反激变换器，但最新的高压碳化硅功率mosfet允许电源工作在一个非常宽yabosports官网的输入电压范围从85Vac到440 Vrms甚至更高的多相仪表。SiC mosfet提高了功率变换器的可靠性和鲁棒性。额定电压为1kV或更高的功率mosfet(图9)对于适应宽交流输入电压范围以及初级变压器的反射电压和来自电网的雷电冲击至关重要。

功率MOSFET