智能電表的分流器電流采樣電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】智能電表的分流器電流采樣電路。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于封裝，生產(chǎn)成本低。智能電表包括MCU，分流器電流采樣電路包括分流器CM、電阻R1、電阻R2、電容C1、電容C2、模擬開(kāi)關(guān)K1、模擬開(kāi)關(guān)K2、模擬開(kāi)關(guān)K3和模擬開(kāi)關(guān)K4；模擬開(kāi)關(guān)K1和K3的控制端同時(shí)接收MCU的一個(gè)I/O口控制信號(hào)；模擬開(kāi)關(guān)K2和K4的控制端同時(shí)接收接收MCU的另一個(gè)I/O口控制信號(hào)。本實(shí)用新型巧妙的利用模擬開(kāi)關(guān)芯片的導(dǎo)通電阻特性，形成了一種新的分段采集的技術(shù)方案；電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也不需要對(duì)印制板改動(dòng)太多，既盡量減少了印制板的面積尺寸，也最大可能的避免了由于增加電路產(chǎn)生的電磁兼容問(wèn)題。本實(shí)用新型新穎獨(dú)特，實(shí)施簡(jiǎn)單，成本較低。
【專(zhuān)利說(shuō)明】智能電表的分流器電流采樣電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電能表的電能計(jì)量領(lǐng)域，尤其涉及對(duì)家庭、辦公、工業(yè)用智能電表計(jì)量電流采樣電路的改進(jìn)。
【背景技術(shù)】
[0002]智能電能表作為電能計(jì)量和電費(fèi)結(jié)算的計(jì)量產(chǎn)品，要求產(chǎn)品具有穩(wěn)定精確的計(jì)量性能，保證用電、供電雙方的利益不受損害。目前電能表的電流范圍要求不斷提高，目前常用的方案采用的是采用寬量程計(jì)量芯片或SOC(System on Chip)方案?，F(xiàn)有技術(shù)中分流器電流采樣電路如圖6所示，現(xiàn)有技術(shù)中互感器電流采樣電路如圖7所示，由于受到計(jì)量芯片動(dòng)態(tài)范圍的制約，都不能保證在整個(gè)電流范圍內(nèi)的高精度測(cè)量，無(wú)法滿(mǎn)足超大電流和極小電流同時(shí)進(jìn)行精確測(cè)量的要求。針對(duì)這一問(wèn)題，中國(guó)專(zhuān)利CN102809678 A、中國(guó)專(zhuān)利CN102426290 A都提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，但實(shí)現(xiàn)方法都比較復(fù)雜，實(shí)際使用中并不現(xiàn)實(shí)，主要有以下幾個(gè)方面原因:(1)由于國(guó)家電網(wǎng)公司制定了各種電能表的型式規(guī)范，電能表的外部尺寸和形狀不能改變，因此不可能允許增加太多電路，上述專(zhuān)利都存在這一問(wèn)題；(2)由于國(guó)家電網(wǎng)公司實(shí)行電能表統(tǒng)一招標(biāo)采購(gòu)，通過(guò)四年的招標(biāo)采購(gòu)，電能表的采購(gòu)價(jià)格已經(jīng)基本穩(wěn)定，增加幾元錢(qián)的成本即會(huì)造成因投標(biāo)價(jià)過(guò)高而無(wú)法中標(biāo)或投標(biāo)價(jià)適當(dāng)使中標(biāo)后無(wú)利潤(rùn)，因此不可能允許增加太多電路，上述專(zhuān)利同樣都存在這一問(wèn)題；(3)在電壓采樣和電流采樣電路前增加太多電路不僅反而可能會(huì)降低采樣精度，而且可能也會(huì)帶來(lái)電磁兼容方面的問(wèn)題，上述專(zhuān)利同樣都存在這一問(wèn)題；(4)由于計(jì)量芯片或SOC方案中MCU的計(jì)量單元電流采集通道有限，因此也不允許通過(guò)不同采集端對(duì)電流按大小進(jìn)行分段采集以提高采集精度，中國(guó)專(zhuān)利CN102426290 A就存在這一問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型為了克服以上的不足，提出了一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于封裝，生產(chǎn)成本低的智能電表的分流器電流采樣電路。
[0004]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:所述智能電表包括MCU，所述MCU內(nèi)設(shè)差分放大器，包括分流器CM、電阻R1、電阻R2、電容Cl、電容C2、模擬開(kāi)關(guān)K1、模擬開(kāi)關(guān)K2、模擬開(kāi)關(guān)K3和模擬開(kāi)關(guān)K4;
[0005]所述分流器CM具有分流器接口 一和分流器接口二，所述分流器接口 一后部連接模擬開(kāi)關(guān)Kl的進(jìn)口，所述模擬開(kāi)關(guān)Kl的出口分別連接所述電阻Rl和模擬開(kāi)關(guān)K2，所述電阻Rl出口分別連接電容Cl和差分放大器的正輸入端；所述分流器接口二后部連接模擬開(kāi)關(guān)K3的進(jìn)口，所述模擬開(kāi)關(guān)K3的出口分別連接所述電阻R2和模擬開(kāi)關(guān)K4，所述電阻R2出口分別連接電容C2和差分放大器負(fù)輸入端；
[0006]所述模擬開(kāi)關(guān)K2和模擬開(kāi)關(guān)K4的出口相連；所述電容Cl和電容C2的出口相連、并接地；
[0007]所述模擬開(kāi)關(guān)Kl和模擬開(kāi)關(guān)K3的控制端同時(shí)接收所述MCU的一個(gè)I/O 口控制信號(hào)以控制通斷；所述模擬開(kāi)關(guān)K2和模擬開(kāi)關(guān)K4的控制端同時(shí)接收接收MCU的另一個(gè)I/O口控制信號(hào)以控制通斷。
[0008]所述電阻Rl和電阻R2的取值為100-1000 Ω，電容Cl和電容C2的取值為33-100nF，模擬開(kāi)關(guān)K1、模擬開(kāi)關(guān)K2、模擬開(kāi)關(guān)K3和模擬開(kāi)關(guān)K4的導(dǎo)通阻值為20-25 Ω。
[0009]本實(shí)用新型巧妙的利用模擬開(kāi)關(guān)芯片的導(dǎo)通電阻特性，形成了一種新的分段采集的技術(shù)方案。應(yīng)用于普通電能表時(shí)，也就是增加了 I只四通道雙向模擬開(kāi)關(guān)，都是常用器件，即使按10萬(wàn)只的中標(biāo)數(shù)量采購(gòu)，每只也只需增加0.5元左右的成本。如果應(yīng)用于單相智能電能表，也就是增加了 I只四通道雙向模擬開(kāi)關(guān)，都是常用器件，即使按10萬(wàn)只的中標(biāo)數(shù)量采購(gòu)，每只也只需增加I元左右的成本。同時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也不需要對(duì)印制板改動(dòng)太多，既盡量減少了印制板的面積尺寸，也最大可能的避免了由于增加電路產(chǎn)生的電磁兼容問(wèn)題。本實(shí)用新型新穎獨(dú)特，實(shí)施簡(jiǎn)單，成本較低。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是智能電表功能框圖，
[0011]圖2是MCU芯片的功能結(jié)構(gòu)圖，
[0012]圖3是本實(shí)用新型中分流器電流采樣電路，
[0013]圖4是現(xiàn)有技術(shù)中分流器電流采樣電路。
具體實(shí)施方案
[0014]本實(shí)用新型如圖1-3所示，所述智能電表包括MCU，所述MCU內(nèi)設(shè)差分放大器，包括分流器CM、電阻R1、電阻R2、電容Cl、電容C2、模擬開(kāi)關(guān)K1、模擬開(kāi)關(guān)K2、模擬開(kāi)關(guān)K3和模擬開(kāi)關(guān)K4 ；
[0015]所述分流器CM具有分流器接口一和分流器接口二，所述分流器接口一后部連接模擬開(kāi)關(guān)Kl的進(jìn)口，所述模擬開(kāi)關(guān)Kl的出口分別連接所述電阻Rl和模擬開(kāi)關(guān)K2，所述電阻Rl出口分別連接電容Cl和差分放大器的正輸入端；所述分流器接口二后部連接模擬開(kāi)關(guān)K3的進(jìn)口，所述模擬開(kāi)關(guān)K3的出口分別連接所述電阻R2和模擬開(kāi)關(guān)K4，所述電阻R2出口分別連接電容C2和差分放大器負(fù)輸入端；
[0016]所述模擬開(kāi)關(guān)K2和模擬開(kāi)關(guān)K4的出口相連；所述電容Cl和電容C2的出口相連、并接地；
[0017]所述模擬開(kāi)關(guān)Kl和模擬開(kāi)關(guān)K3的控制端同時(shí)接收所述MCU的一個(gè)I/O 口控制信號(hào)以控制通斷；所述模擬開(kāi)關(guān)K2和模擬開(kāi)關(guān)K4的控制端同時(shí)接收接收MCU的另一個(gè)I/O口控制信號(hào)以控制通斷。
[0018]所述電阻Rl和電阻R2的取值為100-1000 Ω，電容Cl和電容C2的取值為33-100nF，模擬開(kāi)關(guān)K1、模擬開(kāi)關(guān)K2、模擬開(kāi)關(guān)K3和模擬開(kāi)關(guān)K4的導(dǎo)通阻值為20-25 Ω。
[0019]模擬開(kāi)關(guān)芯片選擇遵循以下原則:(I)芯片電源采用現(xiàn)有電能表MCU電源，一方面不因增加模擬開(kāi)關(guān)芯片而額外增加電源，另一方面也是為了 MCU能對(duì)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制；
(2)模擬開(kāi)關(guān)封裝盡可能小，以盡可能減小PCB (電路板)的面積；(3)模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻阻值及其隨溫度的變化要盡可能降低對(duì)電流采集精度的影響。
[0020]下面進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的工作原理:[0021]一般分流器電流采樣電路如圖4所示，電流在分流器上產(chǎn)生的電壓通過(guò)R1、Cl和R2、C2低通濾波后分別送入計(jì)量芯片電流采樣通道差分放大器的兩端。一般Rl和R2的阻值為150 Ω ,Cl和C2的容值為47nF。由于分流器阻值固定，因此很難同時(shí)兼顧極大電流和極小電流的計(jì)量精度。
[0022]改進(jìn)后的分流器電流采樣電路如圖3所示。在低通濾波器前加裝一只4通道雙向模擬開(kāi)關(guān)芯片。模擬開(kāi)關(guān)芯片選擇遵循以下原則:(I)芯片電源采用現(xiàn)有電能表MCU電源，一方面不因增加模擬開(kāi)關(guān)芯片而額外增加電源，另一方面也是為了 MCU能對(duì)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制；(2)模擬開(kāi)關(guān)封裝盡可能小，以盡可能減小PCB的面積；(3)模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻阻值及其隨溫度的變化要盡可能降低對(duì)電流采集精度的影響。根據(jù)以上原則，本實(shí)施例選取安森美公司的MC74LVX4066四通道雙向模擬開(kāi)關(guān)芯片，封裝為T(mén)SS0P-14，也是一種常用的芯片。+5V電源供電時(shí)，在-55°C?25°C時(shí)導(dǎo)通電阻為20Ω，在< 85°C時(shí)導(dǎo)通電阻為25Ω，在< 125°C時(shí)導(dǎo)通電阻為30 Ω。由于電能表極限工作溫度為-40°C?70°C，因此電能表工作時(shí)MC74LVX4066的導(dǎo)通電阻在20 Ω?25 Ω之間。
[0023]四通道雙向模擬開(kāi)關(guān)的四個(gè)通道K1、K2、K3、K4在電路中的聯(lián)接如圖3所示。Kl分別與分流器一端和電阻Rl相連；K3分別與分流器另一端和電阻R2相連；Κ2 —端與Kl和Rl相連，另一端與Κ4相連；Κ4 一端與Κ3和R2相連，另一端與Κ2相連。Κ1、Κ3的控制端相連，接收MCU的一個(gè)I/O 口控制信號(hào)以控制通斷；Κ2、Κ4的控制端相連，接收MCU的另一個(gè)I/O 口控制信號(hào)以控制通斷。
[0024]采用圖3分流器電流采樣改進(jìn)電路的工作原理。MCU控制Kl和Κ3的I/O始終輸出高電平，Kl和Κ3均處于閉合狀態(tài)。設(shè)定開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換的電流門(mén)限Ith，當(dāng)實(shí)際電流高于或低于Ith時(shí)由MCU控制模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。(I)當(dāng)電流小于Ith時(shí)MCU控制K2和K4的I/O輸出低電平，K2和K4處于斷開(kāi)狀態(tài)。模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻在20 Ω?25Ω之間，差分放大器輸入端低通濾波器的電阻為170 Ω?175 Ω之間，與原有150 Ω相比相差不大，因此對(duì)濾波后造成的相位滯后不大，與改進(jìn)方案前電能表檢定時(shí)相位校正參數(shù)相比，電能表檢定時(shí)不需對(duì)相位校正參數(shù)作較大的改變，而且可以增大Rl和R2的阻值使其忽略不計(jì)。同時(shí)，由于采用同一模擬開(kāi)關(guān)的兩個(gè)通道，因此無(wú)論溫度如何變化，Kl和K3的導(dǎo)通電阻都幾乎一致，因此完全保證差分放大器兩輸入端的電路平衡。(2)當(dāng)電流大于Ith時(shí)MCU控制K2和K4的I/O輸出高電平，K2和K4處于閉合狀態(tài)。第一，差分放大器輸入端的電流近似為0，因此采樣電阻為分流器電阻與K1、K2、K3和K4的串聯(lián)電阻并聯(lián)。因?yàn)槟M開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻在20 Ω?25Ω之間，所以K1、K2、K3和Κ4的串聯(lián)電阻在80 Ω?100 Ω之間，而分流器的阻值為250μ Ω，因此由于并聯(lián)模擬開(kāi)關(guān)造成的電流計(jì)算誤差忽略不計(jì)。第二，采集單元差分放大器采集的電壓為Rl和R2的輸入端電壓，也即Κ2和Κ4兩端的電壓，由于Κ1、Κ2、Κ3和Κ4的導(dǎo)通電阻相等，而且溫度改變時(shí)也保持相等，因此無(wú)論何種溫度情況下取樣電壓確保為分流器采集電壓的0.5倍，MCU只要知道此時(shí)采集電壓為0.5倍并進(jìn)行相應(yīng)放大處理即可。第三，差分放大器的輸入電壓為Rl和R2的輸入端電壓，輸入端低通濾波器的電阻仍為Rl和R2，與原有采樣電路電阻一樣，因此與原電路相比不會(huì)造成濾波后的相位滯后，電能表檢定時(shí)相位校正參數(shù)一樣，同時(shí)差分放大器兩輸入端的電路平衡沒(méi)有任何改變。
[0025]由以上分析可知，本實(shí)用新型采用的方案提供了一個(gè)提高電流計(jì)量精度的簡(jiǎn)便實(shí)施方案。如果應(yīng)用于普通電能表，也就是增加了 I只四通道雙向模擬開(kāi)關(guān)大大節(jié)約了產(chǎn)品成本。同時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也不需要對(duì)印制板改動(dòng)太多，既盡量減少了印制板的面積尺寸，也最大可能的避免了由于增加電路產(chǎn)生的電磁兼容問(wèn)題。
【權(quán)利要求】
1.智能電表的分流器電流采樣電路，所述智能電表包括MCU，所述MCU內(nèi)設(shè)差分放大器，其特征在于，包括分流器CM、電阻R1、電阻R2、電容Cl、電容C2、模擬開(kāi)關(guān)K1、模擬開(kāi)關(guān)K2、模擬開(kāi)關(guān)K3和模擬開(kāi)關(guān)K4 ； 所述分流器CM具有分流器接口 一和分流器接口二，所述分流器接口 一后部連接模擬開(kāi)關(guān)Kl的進(jìn)口，所述模擬開(kāi)關(guān)Kl的出口分別連接所述電阻Rl和模擬開(kāi)關(guān)K2，所述電阻Rl出口分別連接電容Cl和差分放大器的正輸入端；所述分流器接口二后部連接模擬開(kāi)關(guān)K3的進(jìn)口，所述模擬開(kāi)關(guān)K3的出口分別連接所述電阻R2和模擬開(kāi)關(guān)K4，所述電阻R2出口分別連接電容C2和差分放大器負(fù)輸入端； 所述模擬開(kāi)關(guān)K2和模擬開(kāi)關(guān)K4的出口相連；所述電容Cl和電容C2的出口相連、并接地； 所述模擬開(kāi)關(guān)Kl和模擬開(kāi)關(guān)K3的控制端同時(shí)接收所述MCU的一個(gè)I/O 口控制信號(hào)以控制通斷；所述模擬開(kāi)關(guān)K2和模擬開(kāi)關(guān)K4的控制端同時(shí)接收接收MCU的另一個(gè)I/O 口控制信號(hào)以控制通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電表的分流器電流采樣電路，其特征在于，所述電阻Rl和電阻R2的取值為100-1000 Ω，電容Cl和電容C2的取值為33_100nF，模擬開(kāi)關(guān)K1、模擬開(kāi)關(guān)K2、模擬開(kāi)關(guān)K3和模擬開(kāi)關(guān)K4的導(dǎo)通阻值為20-25 Ω。
【文檔編號(hào)】G01R15/00GK203422410SQ201320558857
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】潘建華, 李香, 朱世林, 郎干勇, 徐振偉, 吳靜, 王應(yīng)嬈 申請(qǐng)人:揚(yáng)州市萬(wàn)泰電器廠(chǎng)有限公司