三相四线智能电表专用开关电源的研究与设计

论文摘要

随着微电子科学技术、磁性材料科学技术和制造工艺以及其他边沿科学技术的不断改进和飞速发展,作为各类电子产品控制系统的原动力一开关电源,其地位的重要性也在不断的提高。开关电源作为对用户主机或控制系统的直接供电装置,它的性能好坏将直接影响到设备工作的稳定性。设计一个性能优良的开关电源,可以充分发挥电子产品的功能。数字智能电表是开关电源广泛应用的场合之一。随着社会用电量的增大,三相智能电表的需求量也在增长。采用电子计量原理的三相智能电表具有高精度、多参数测量、谐波功率电能计量等优势。然而,当前电表专用电源模块所采用的电源技术,大多依旧停留在采用工频变换技术的相控电源,使用该类电源技术,不仅效率低下,同时由于体积和重量都相对庞大,导致空间占有率大,而且浪费大量的器件材料。三相四线制智能电表专用开关电源不仅适合应用于三相三线、三相四线制的数字智能电表中,同时也可作为电能质量的监测装置。本文首先综述了智能电表专用开关电源的发展状况和发展前景,通过与当前电表中所使用的相控电源技术进行对比,突出介绍了开关电源技术运用到智能电表中其体积小、重量轻、效率高、输出形式多样化、稳压范围宽等诸多优势；然后介绍了开关电源的分类以及技术的基本原理,其中具体介绍了Buck-Boost. BUck以及Boost三种重要的拓扑结构以及单端反激式开关电源的四种工作模态,设计中所采用的为非连续一非理想电源模态方案；接着介绍了AC-DC开关电源的设计方案与设计步骤,重点介绍了一款PI公司研发的开关电源芯片LNK306的工作原理,研究了以其为基础设计的一款AC-DC反激式三相四线智能电表的专用开关电源模块。其中,通过分析三相四线智能电表各功能模块的电气参数以及各项模拟实验的标准要求,确定了AC-DC开关电源的技术指标,合理的设计了开关电源的保护电路、滤波电路、高频变压器以及控制反馈系统。最后,通过合理的PCB走线、选择合适的电子元器件以及对开关电源模块进行反复调试,使其工作性能达到最佳。三相四线智能电表专用开关电源模块不仅通过了智能电表产品出厂的各项性能实验检测标准,包括：静电放电试验、群脉冲试验、雷击浪涌试验、高低温试验、交变湿度试验等,同时还通过了电磁辐射骚扰实验的检测标准。实验证明,三相四线智能电表专用开关电源的设计方案能够代替原有的由变压器构成的相控电源成功运用于三相四线智能电表中。三相四线智能电表专用开关电源不仅能提供足够的功率让负载正常工作,而且能够拓宽电源的输入电压范围,同时还能够匹配智能电表的空间结构,提高智能电表电源的工作效率,减小智能电表的重量和空间体积,降低电表的成本,具有很高的实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 开关电源技术研究现状
• 1.2.1 开关电源发展历史
• 1.2.2 开关电源比较线性电源的优、缺点
• 1.2.3 开关电源发展方向
• 1.3 课题来源及研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 开关电源技术的基本原理分析
• 2.1 开关电源技术的拓扑结构
• 2.1.1 Buck-Boost拓扑
• 2.1.2 Buck拓扑
• 2.1.3 Boost拓扑
• 2.2 反激式开关稳压电源基本工作原理
• 2.2.1 非连续态-理想电源模态
• 2.2.2 连续态-理想电源模态
• 2.2.3 非连续态-非理想电源模态
• 2.2.4 连续态-非理想电源模态
• 2.3 本章小结
• 第3章 超宽输入范围AC/DC三相智能电表专用开关电源设计
• 3.1 三相四线智能电表原理及各功能模块电气
• 3.1.1 三相四线智能电表原理介绍
• 3.1.2 智能电表功能模块电气介绍
• 3.2 开关电源设计方案与步骤
• 3.2.1 开关电源设计方案
• 3.2.2 AC/DC开关电源设计步骤
• 3.3 超宽输入范围AC/DC开关电源设计
• 3.3.1 开关电源模块技术指标
• 3.3.2 LNK306工作原理分析
• 3.3.3 开关电源原理图设计
• 3.3.4 高频变压器设计
• 3.4 开关电源主要元器件选取
• 3.5 开关电源模块的PCB设计
• 3.5.1 PCB布线的设计流程
• 3.5.2 元件器的布局
• 3.5.3 PCB设计图
• 3.6 开关电源输出波形图
• 3.7 本章小结
• 第4章 开关电源的EMI/EMC设计
• 4.1 电源电磁干扰的起因与影响
• 4.2 开关电源电磁干扰分析
• 4.2.1 输入整流回路电磁干扰分析
• 4.2.2 开关控制回路电磁干扰分析
• 4.2.3 次级整流回路电磁干扰分析
• 4.2.4 电容耦合引起的共模噪声
• 4.3 开关电源电磁干扰的解决方法
• 4.3.1 减小环路面积
• 4.3.2 箝位电路设计
• 4.3.3 次级整流回路设计
• 4.3.4 印刷电路板设计
• 4.4 开关电源辐射骚扰试验与结果
• 4.4.1 辐射骚扰发射试验配置
• 4.4.2 开关电源模块辐射骚扰试验结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 产品实验验证检测
• 5.1 静电放电抗扰试验
• 5.1.1 静电放电试验方法
• 5.1.2 开关电源防静电分析及结果
• 5.2 快速瞬变脉冲群试验
• 5.2.1 快速瞬变脉冲群试验方法
• 5.2.2 开关电源脉冲群试验分析及结果
• 5.3 雷击浪涌试验
• 5.3.1 雷击浪涌试验方法
• 5.3.2 开关电源雷击浪涌试验分析及结果
• 5.4 高低温储存试验
• 5.4.1 高低温储存试验方法
• 5.4.2 开关电源高低温试验分析及结果
• 5.5 交变湿热储存试验
• 5.5.1 交变湿热储存试验方法
• 5.5.2 开关电源交变湿热试验分析及结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文）
• 附录B （攻读学位期间参加的科研项目）
• 附录C （基于LNK306反激式开关电源原理图）
• 附录D （基于LNK306反激式开关电源实物图）