ШИМ-контроллер ME8230 MicrOne для импульсных источников питания цифровых счетчиков

До недавнего времени в качестве индивидуальных приборов учета потребленной электроэнергии преимущественно использовались электромеханические счетчики. Простота конструкции и невысокая стоимость делали эти устройства наиболее востребованными среди большинства пользователей. Однако реалии современного мира зачастую вынуждают отказываться от подобных решений из-за их малой чувствительности. Типовое значение стартового тока большинства электромеханических счетчиков составляет 10…20 мА, а это значит, что данные приборы не смогут гарантированно вести учет потребленной электроэнергии для нагрузок мощностью ниже 2,3…4,6 Вт в сети с напряжением 230 В AC.

Учитывая современные тенденции к максимальному энергосбережению, большинство поставщиков электрической энергии осуществляет переход на цифровые счетчики, формируя высокий спрос на данную электронную продукцию. Цифровые устройства обладают не только лучшей чувствительностью, но и гораздо большей точностью измерений, а также удобством использования. Они позволяют работать с несколькими тарифными планами и передавать показания дистанционно в автоматическом режиме.

Для запитывания внутренних схем цифрового счетчика чаще всего используется встроенный импульсный источник питания. Благодаря высокой частоте коммутации силовых ключей и хорошим временны́м характеристикам современной элементной базы потери в таких источниках питания невелики, что обеспечивает их высокую эффективность. Кроме того, импульсный источник позволяет легко организовать несколько выходов для питания различных функциональных блоков счетчика электроэнергии, таких как микроконтроллер, измерительные цепи, дисплей, а также внешние интерфейсы и схемы дистанционного управления. При этом очевидно, что производитель должен минимизировать собственное энергопотребление разрабатываемого устройства, чтобы затраты пользователя на его содержание были минимальны.

Одним из способов решения данной задачи является применение в источнике питания устройства специализированных ШИМ-контроллеров, оптимизированных для работы в энергосберегающих системах. Ярким представителем таких контроллеров является ME8230 производства компании MicrOne Electronics Inc. (MicrOne).

ME8230 представляет собой ШИМ-контроллер с токовым управлением, специально разработанный для применения в системах с пониженным энергопотреблением, таких как цифровые интеллектуальные счетчики электроэнергии. Данная микросхема обладает высокой степенью интеграции, отличной производительностью и широким набором защит. При этом она является достаточно бюджетным решением. Кроме того, в состав рассматриваемого ШИМ-контроллера входит силовой высоковольтный полевой транзистор, а также средства снижения электромагнитных помех (ЭМП), формируемых импульсным источником питания, которые улучшают его электромагнитную совместимость.

Невысокая стоимость, улучшенные характеристики, простота включения и соответствие требованиям ведущих организаций энергоснабжения, таких как «Государственная электросетевая корпорация Китая» (SGCC) и «Китайская южная электросеть» (CSG), делают микросхему ME8230 незаменимой при разработке интеллектуальных цифровых счетчиков электроэнергии.

Основные особенности ШИМ-контроллера ME8230:

• высокая степень интеграции;
• встроенный силовой полевой транзистор с максимально допустимым напряжением «исток-сток», равным 1000 В, и током стока до 1 А;
• высокая производительность;
• широкий диапазон входных напряжений 40…420 В AC;
• мощность типового источника питания не менее 8 Вт при работе в полном диапазоне выходных напряжений и не менее 10 Вт при работе в диапазоне выходных напряжений 85…264 В AC;
• встроенный тактовый генератор, имеющий возможность автоматического переключения частоты в зависимости от режима работы источника. Частота на выходе генератора составляет 60 кГц в обычном режиме работы, 25 кГц при малой нагрузке и на холостом ходу (это обеспечивает снижение уровня шумов и пульсаций) и 175 кГц в условиях сильного магнитного поля;
• функция расширения спектра (Spread-Spectrum Clock Generation, SSCG), снижающая суммарный уровень электромагнитных помех за счет коммутации силового ключа преобразователя не с фиксированной, а с изменяющейся частотой. Это позволяет распределить спектральную плотность мощности ЭМП по некоторой частотной области, снижая ее пиковое значение на каждой из частот данной области:

• встроенная оптимизированная схема запуска, обеспечивающая высокий КПД и малое энергопотребление в режиме ожидания во всем допустимом диапазоне входных напряжений;
• встроенная схема компенсации наклона пилы для датчика тока;
• плавный старт;
• функции защиты: 

o поцикловая - от токовых перегрузок (OCP) и короткого замыкания (SCP);

o от пониженного напряжения питания с гистерезисом (UVLO);

o от сильного магнитного поля;

o от перегрева (OTP);

• компактный корпус DIP-7, позволяющий располагать микросхему на печатных платах с высокой плотностью размещения компонентов.

На рисунке изображена типовая схема включения ШИМ-контроллера ME8230.

 

Как видно из данного рисунка, основной сценарий применения микросхемы ME8230 – автономные обратноходовые преобразователи с токовым управлением. Выбор такой топологии не случаен, поскольку при небольшой выходной мощности источника питания именно она чаще всего обеспечивает наилучшее соотношение «цена/эффективность». Кроме того, как было сказано выше, в цифровом счетчике электроэнергии обычно требуются два и более питающих напряжений, а обратноходовой преобразователь прекрасно справляется с данной задачей, при этом обеспечивая неплохую стабильность дополнительных каналов и практически не усложняя схему.

Рассмотрим пример использования микросхемы ME8230, рекомендованный производителем:

Данная схема представляет собой источник питания для однофазного счетчика электроэнергии, имеющий три выходных напряжения. Основной выход VDCC, с которого берется сигнал для контура обратной связи, предназначен для питания микроконтроллера, дисплея, схем дистанционного управления и других цифровых узлов. Запитка внешнего интерфейса счетчика (RS485) производится от отдельного канала 485_VDD, гальванически отвязанного от всей остальной схемы. Цепи измерения сетевого напряжения, а также потребляемого тока и мощности, запитываются от выхода DVDD, не требующего гальванической развязки с сетью.

Отметим, что от этой же обмотки трансформатора питается и сам ШИМ-контроллер посредством элементов DN6, RN9, EC7 и CN11. Обратите внимание на то, что для большей надежности на каждый из выходов источника питания установлен линейный стабилизатор, позволяющий получить высокую точность и стабильность выходного напряжения во всех возможных режимах работы схемы.

При питании от сети переменного тока с напряжением 230 В AC коэффициент полезного действия такой схемы составил 78,98% при полностью нагруженном канале 485_VDD и 77,42% - при работе этого канала на холостом ходу. Собственная потребляемая мощность источника равна 139,6 мВт при питании от сети переменного тока с напряжением 115 В AC и 181,8 мВт - при 230 В AC.

Отметим, что это на 30…100 мВт ниже чем у аналогичных продуктов других производителей, имеющих эквивалентную схему включения.

Время запуска рассматриваемой схемы составляет 188 мс при питании от сети переменного тока с напряжением 40 В AC и 163 мс - при 230 В AC.

За счет использования линейных стабилизаторов источник питания имеет достаточно высокую точность установки выходных напряжений (±2%), а также хорошую их стабильность как по входу, так и по выходу (0,09% и 0,2%, соответственно). Изменение напряжений на выходах источника при его нагреве выше 100°С не превышает –0,1% (в данном случае ТКН является отрицательным). Гистерезис включения/выключения температурной защиты составляет примерно 49°С. При выключении защиты источник переходит в нормальный режим работы без каких-либо дополнительных задержек. Устройство прошло проверку на работу в условиях повышенной температуры окружающей среды в течение 120 минут. Результаты испытаний приведены в таблице.

Рассматриваемый источник питания на базе микросхемы ME8230 отвечает следующим требованиям организаций «Государственная электросетевая корпорация Китая» и «Китайская южная электросеть»:

• диапазон рекомендованных рабочих температур –40…70°С;

• возможность работы при температуре окружающей среды 85°С и влажности воздуха 85% в течение 1000 часов (так называемый «двойной тест 85»);

• электромагнитная совместимость согласно стандарту GB/T 17626 (импульс 6 кВ/статический разряд 8 кВ);

• срок службы не менее 16 лет в жаркой и влажной среде;

• энергопотребление в режиме ожидания не более 0,8 Вт;

• коэффициент полезного действия при небольшой нагрузке не менее 75%;

• погрешность измерений менее 1% при напряженности окружающего магнитного поля 100 А/м;

• канал питания внешнего интерфейса связи гальванически отвязан от других каналов источника;

• возникновение аварийных ситуаций во внешнем интерфейсе связи никак не влияет на работу прибора учета.

По продукции MicrOne вам также ответят специалисты ЮниРЭК:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь с нами: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20