智能電表的互感器電流采樣電路的制作方法
【專利摘要】智能電表的互感器電流采樣電路。電路結(jié)構(gòu)簡單，便于封裝，生產(chǎn)成本低。所述智能電表包括MCU，所述MCU內(nèi)設(shè)差分放大器，所述互感器電流采樣電路包括電流互感器CT、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2、模擬開關(guān)K6和模擬開關(guān)K8；所述模擬開關(guān)K6和模擬開關(guān)K8的控制端同時接收MCU的另一個I/O口控制信號以控制通斷。本實用新型巧妙的利用模擬開關(guān)芯片的導通電阻特性，形成了一種新的分段采集的技術(shù)方案。電路結(jié)構(gòu)簡單，也不需要對印制板改動太多，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)生的電磁兼容問題。本實用新型新穎獨特，實施簡單，成本較低。
【專利說明】智能電表的互感器電流采樣電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電能表的電能計量領(lǐng)域，尤其涉及對家庭、辦公、工業(yè)用智能電表計量電流采樣電路的改進。
【背景技術(shù)】
[0002]智能電能表作為電能計量和電費結(jié)算的計量產(chǎn)品，要求產(chǎn)品具有穩(wěn)定精確的計量性能，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量芯片或SOC(System on Chip)方案。現(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，由于受到計量芯片動態(tài)范圍的制約，都不能保證在整個電流范圍內(nèi)的高精度測量，無法滿足超大電流和極小電流同時進行精確測量的要求。針對這一問題，中國專利CN102809678 A、中國專利CN102426290 A都提出了改進設(shè)計方法，但實現(xiàn)方法都比較復雜，實際使用中并不現(xiàn)實，主要有以下幾個方面原因:(1)由于國家電網(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，上述專利都存在這一問題；(2)由于國家電網(wǎng)公司實行電能表統(tǒng)一招標采購，通過四年的招標采購，電能表的采購價格已經(jīng)基本穩(wěn)定，增加幾元錢的成本即會造成因投標價過高而無法中標或投標價適當使中標后無利潤，因此不可能允許增加太多電路，上述專利同樣都存在這一問題；(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降低采樣精度，而且可能也會帶來電磁兼容方面的問題，上述專利同樣都存在這一問題；(4)由于計量芯片或SOC方案中MCU的計量單元電流采集通道有限，因此也不允許通過不同采集端對電流按大小進行分段采集以提高采集精度，中國專利CN102426290 A就存在這一問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型即是為了克服以上的不足，提出了一種電路結(jié)構(gòu)簡單，便于封裝，生產(chǎn)成本低的智能電表的互感器電流采樣電路。
[0004]本實用新型的技術(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，所述互感器電流采樣電路包括電流互感器CT、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容Cl、電容C2、模擬開關(guān)K6和模擬開關(guān)K8 ；
[0005]所述電流互感器CT具有互感器接口 一和互感器接口二，所述互感器接口 一分別連接所述電阻R3、電阻Rl和模擬開關(guān)K6的進口，所述電阻Rl的出口分別連接電容Cl和差分放大器的正輸入端；所述互感器接口二分別連接所述電阻R4、電阻R2和模擬開關(guān)K8的進口，所述電阻R2的出口分別連接電容C2和差分放大器的負輸入端；
[0006]所述電阻R3、電阻R4、模擬開關(guān)K6、模擬開關(guān)K8、電容Cl和電容C2的出口相連接、并接地；
[0007]所述模擬開關(guān)K6和模擬開關(guān)K8的控制端同時接收MCU的另一個I/O 口控制信號以控制通斷。[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,電阻R3和電阻R4的取值為1-5.1 Ω，所述模擬開關(guān)K7和模擬開關(guān)K8的導通阻值為 1-5.1Ω。
[0009]在所述電阻Rl和模擬開關(guān)K6進口的前端、所述電阻R3進口的后端串接有模擬開關(guān)K5 ；
[0010]在所述電阻R2和模擬開關(guān)K8進口的前端、所述電阻R4進口的后端串接有模擬開關(guān)K7 ；
[0011]所述模擬開關(guān)K5和模擬開關(guān)K7的控制端同時接收MCU的一個I/O 口控制信號以控制通斷；
[0012]所述模擬開關(guān)K5和模擬開關(guān)K7的導通阻值為1-5.1 Ω。
[0013]本實用新型巧妙的利用模擬開關(guān)芯片的導通電阻特性，形成了一種新的分段采集的技術(shù)方案。應用于普通電能表時，也就是增加了 I只雙通道雙向模擬開關(guān)，都是常用器件，即使按10萬只的中標數(shù)量采購，每只也只需增加0.5元左右的成本。如果應用于單相智能電能表，也就是增加了 I只雙通道雙向模擬開關(guān)或2只雙通道雙向模擬開關(guān)，都是常用器件，即使按10萬只的中標數(shù)量采購，每只也只需增加I元左右的成本。同時，由于電路結(jié)構(gòu)簡單，也不需要對印制板改動太多，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)生的電磁兼容問題。本實用新型新穎獨特，實施簡單，成本較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是智能電表功能框圖，
[0015]圖2是MCU芯片的功能結(jié)構(gòu)圖，
[0016]圖3是本實用新型中互感器電流采樣電路一，
[0017]圖4是本實用新型中互感器電流采樣電路二，
[0018]圖5是現(xiàn)有技術(shù)中互感器電流采樣電路。
具體實施方案
[0019]本實用新型如圖1-4所示，所述智能電表包括MCU，所述MCU內(nèi)設(shè)差分放大器，所述互感器電流采樣電路包括電流互感器CT、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容Cl、電容C2、模擬開關(guān)K6和模擬開關(guān)K8 ；
[0020]所述電流互感器CT具有互感器接口 一和互感器接口二，所述互感器接口 一分別連接所述電阻R3、電阻Rl和模擬開關(guān)K6的進口，所述電阻Rl的出口分別連接電容Cl和差分放大器的正輸入端；所述互感器接口二分別連接所述電阻R4、電阻R2和模擬開關(guān)K8的進口，所述電阻R2的出口分別連接電容C2和差分放大器的負輸入端；
[0021 ] 所述電阻R3、電阻R4、模擬開關(guān)K6、模擬開關(guān)K8、電容Cl和電容C2的出口相連接、并接地；
[0022]所述模擬開關(guān)K6和模擬開關(guān)K8的控制端同時接收MCU的另一個I/O 口控制信號以控制通斷。
[0023]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,電阻R3和電阻R4的取值為1-5.1 Ω，所述模擬開關(guān)K7和模擬開關(guān)K8的導通阻值為 1-5.1Ω。
[0024]在所述電阻Rl和模擬開關(guān)K6進口的前端、所述電阻R3進口的后端串接有模擬開關(guān)K5 ；
[0025]在所述電阻R2和模擬開關(guān)K8進口的前端、所述電阻R4進口的后端串接有模擬開關(guān)K7 ；
[0026]所述模擬開關(guān)K5和模擬開關(guān)K7的控制端同時接收MCU的一個I/O 口控制信號以控制通斷；
[0027]所述模擬開關(guān)K5和模擬開關(guān)K7的導通阻值為1-5.1 Ω。
[0028]模擬開關(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關(guān)芯片而額外增加電源，另一方面也是為了 MCU能對模擬開關(guān)進行控制；
(2)模擬開關(guān)封裝盡可能小，以盡可能減小PCB (電路板)的面積；(3)模擬開關(guān)導通電阻阻值及其隨溫度的變化要盡可能降低對電流采集精度的影響。
[0029]下面進一步說明本實用新型的工作原理:
[0030]一般電流互感器電流采樣電路如圖5所示，零線電流在零線電流互感器上產(chǎn)生的電流在R3和R4上產(chǎn)生的電壓通過R1、C1和R2、C2低通濾波后分別送入計量芯片電流采樣通道差分放大器的兩端。一般R3和R4的阻值為1-5.1 Ω (精度為1%)，Rl和R2的阻值為100-1000 Ω ,Cl和C2的容值為33_100nF。由于電流互感器變比固定，因此很難同時兼顧極大電流和極小電流的計量精度。
[0031]2.1、改進后的電流互感器電流采樣電路如圖3所示。在低通濾波器前加裝I只雙向模擬開關(guān)芯片。模擬開關(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關(guān)芯片而額外增加電源，另一方面也是為了 MCU能對模擬開關(guān)進行控制；(2)模擬開關(guān)封裝盡可能小，以盡可能減小PCB的面積；(3)模擬開關(guān)導通電阻阻值及其隨溫度的變化要盡可能降低對電流采集精度的影響。根據(jù)以上原則，并考慮到R3和R4的阻值，可選取I只導通電阻與R3、R4阻值接近的雙通道雙向模擬開關(guān)芯片。K6的一端分別與互感器一端和電阻R3、R1相連，另一端分別與K8相連；K8的一端分別與互感器另一端和電阻R4、R2相連，另一端分別與Κ6相連。Κ6、Κ8的控制端相連，接收MCU的一個I/O 口控制信號以控制通斷。
[0032]采用圖3互感器電流采樣改進電路的工作原理。(I)當電流小于Ith時MCU控制Κ6和Κ8的I/O輸出低電平,Κ6和Κ8處于斷開狀態(tài)。差分放大器輸入端低通濾波器的電阻與原有150Ω相等，因此對濾波后不造成相位滯后。同時，由于采用同一模擬開關(guān)的兩個通道，因此無論溫度如何變化，Kl和Κ3的導通電阻都幾乎一致，因此完全保證差分放大器兩輸入端的電路平衡。(2)當電流大于Ith時MCU控制Κ2和Κ4的I/O輸出高電平，Κ6和Κ8處于閉合狀態(tài)。差分放大器輸入端的電流近似為0，因此采樣電阻為采樣電阻R3與Κ6的并聯(lián)電阻及采樣電阻R4與Κ8的并聯(lián)電阻，因此并聯(lián)后取樣電阻為原來的0.5倍。采集單元差分放大器采集的電壓為Rl和R2的輸入端電壓，由于Κ6和Κ8的導通電阻相等，而且溫度改變時也保持相等，因此無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，也就增大了電流采集的動態(tài)范圍。更詳細的分析與以下分析類似，這里不再贅述。
[0033]2.2、進一步改進后的電流互感器電流采樣電路如圖4所示。在低通濾波器前加裝雙向模擬開關(guān)芯片。本實用新型選取兩只安森美公司的NLAS5213雙通道雙向模擬開關(guān)芯片，封裝為UDFN-8。+5V電源供電時，在_40°C?85°C時導通電阻為1.3 Ω，因此導通電阻穩(wěn)定性較好。由于電能表極限工作溫度為_40°C?70°C，因此電能表工作時NLAS5213的導通電阻為1.3Ω。
[0034]雙通道雙向模擬開關(guān)的四個通道K5、K6、K7、K8在電路中的聯(lián)接如圖4所示。K5的一端分別與互感器一端和電阻R3相連,另一端分別與K6和Rl相連；K7的一端分別與互感器另一端和電阻R4相連，另一端分別與Κ8和R2相連；Κ6與Κ8連接端與GND相連；R3和R4連接端與GND相連。K5、K7的控制端相連，接收MCU的一個I/O 口控制信號以控制通斷；Κ6、Κ8的控制端相連，接收MCU的另一個I/O 口控制信號以控制通斷。
[0035]采用圖4互感器電流采樣改進電路的工作原理。MCU控制Κ5和Κ7的I/O始終輸出高電平，Κ5和Κ7均處于閉合狀態(tài)。設(shè)定開關(guān)狀態(tài)切換的電流門限Ith，當實際電流高于或低于Ith時由MCU控制模擬開關(guān)進行切換。(I)當電流小于Ith時MCU控制K6和K8的I/O輸出低電平，K6和K8處于斷開狀態(tài)。模擬開關(guān)的導通電阻為1.3Ω，差分放大器輸入端低通濾波器的電阻為151.3Ω，與原有150 Ω相比幾乎相等，因此對濾波后造成的相位滯后不大，與改進方案前電能表檢定時相位校正參數(shù)相比，電能表檢定時不需對相位校正參數(shù)作較大的改變。同時，由于采用同一模擬開關(guān)的兩個通道，因此無論溫度如何變化，K5和K7的導通電阻都幾乎一致，因此完全保證差分放大器兩輸入端的電路平衡。(2)當電流大于Ith時MCU控制K6和K8的I/O輸出高電平，K6和K8處于閉合狀態(tài)。第一，差分放大器輸入端的電流近似為0，因此采樣電阻為采樣電阻R3與K5、K6的串聯(lián)電阻并聯(lián)及采樣電阻R4與Κ7、Κ8的串聯(lián)電阻并聯(lián)。因為模擬開關(guān)的導通電阻為1.3 Ω，所以Κ5和Κ6、Κ7和Κ8的串聯(lián)電阻為2.6 Ω，而取樣電阻的阻值為2.4Ω，因此并聯(lián)后取樣電阻為原來的0.52倍。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Κ6和Κ8兩端的電壓，由于Κ5、Κ6、Κ7和Κ8的導通電阻相等，而且溫度改變時也保持相等，因此無論何種溫度情況下取樣電壓確保為互感器采集電壓的0.52倍，MCU只要知道此時采集電壓為0.26倍并進行相應放大處理即可。第二，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造成濾波后的相位滯后，電能表檢定時相位校正參數(shù)一樣，同時差分放大器兩輸入端的電路平衡沒有任何改變。
[0036]采用本進一步改進的優(yōu)化方式，相對于前例，在Ith以上時，測量動態(tài)范圍更寬，精度更高。
[0037]由以上分析可知，本實用新型采用的方案提供了一個提高電流計量精度的簡便實施方案。如果應用于普通電能表，也就是增加了 I只雙通道雙向模擬開關(guān)或2只雙通道雙向模擬開關(guān)，都是常用器件，即使按10萬只的中標數(shù)量采購，每只也只需增加0.5元左右的成本。如果應用于單相智能電能表，增加了 2只雙通道雙向模擬開關(guān)，是常用器件，即使按10萬只的中標數(shù)量采購，每只也只需增加I元左右的成本。同時，由于電路結(jié)構(gòu)簡單，也不需要對印制板改動太多，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)生的電磁兼容問題。
【權(quán)利要求】
1.智能電表的互感器電流采樣電路，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， 所述互感器電流采樣電路包括電流互感器CT、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容Cl、電容C2、模擬開關(guān)K6和模擬開關(guān)K8 ； 所述電流互感器CT具有互感器接口 一和互感器接口二，所述互感器接口 一分別連接所述電阻R3、電阻Rl和模擬開關(guān)K6的進口，所述電阻Rl的出口分別連接電容Cl和差分放大器的正輸入端；所述互感器接口二分別連接所述電阻R4、電阻R2和模擬開關(guān)K8的進口，所述電阻R2的出口分別連接電容C2和差分放大器的負輸入端； 所述電阻R3、電阻R4、模擬開關(guān)K6、模擬開關(guān)K8、電容Cl和電容C2的出口相連接、并接地； 所述模擬開關(guān)K6和模擬開關(guān)K8的控制端同時接收MCU的另一個I/O 口控制信號以控制通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電表的互感器電流采樣電路，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，電阻R3和電阻R4的取值為1-5.1 Ω，所述模擬開關(guān)K7和模擬開關(guān)K8的導通阻值為1-5.1 Ω。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電表的互感器電流采樣電路，其特征在于，在所述電阻Rl和模擬開關(guān)K6進口的前端、所述電阻R3進口的后端串接有模擬開關(guān)K5 ； 在所述電阻R2和模擬開關(guān)K8進口的前端、所述電阻R4進口的后端串接有模擬開關(guān)K7 ； 所述模擬開關(guān)K5和模擬開關(guān)K7的控制端同時接收MCU的一個I/O 口控制信號以控制通斷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能電表的互感器電流采樣電路，其特征在于，所述模擬開關(guān)K5和模擬開關(guān)K7的導通阻值為1-5.1 Ω。
【文檔編號】G01R22/06GK203422420SQ201320558781
【公開日】2014年2月5日 申請日期: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, 朱世林, 李香, 郎干勇, 徐振偉, 吳靜, 王應嬈 申請人:揚州市萬泰電器廠有限公司