一種智能電能表掉電檢測模塊的電路設計

高希棟

（北京魯能物業服務有限責任公司福州分公司工程部，福建福州350012）

0 引言

隨著國內社會用電量的迅速增長，智能電表的使用量每年均有大幅增長。如何提升智能電表的計量準確性一直是設計單位研究的重點，國網企業標準Q/GDW 1354—2013《智能電表功能規范》的要求如下：智能電表應可以記錄掉電的總次數，以及最近10次掉電發生及結束的時刻。

1 電路功能及典型應用說明

對電源進行監測，當檢測到掉電時，電能表進入掉電模式，并能對當前時刻的重要數據進行保存，如電量參數、時間參數等；在上電時刻能夠對原有電量等參數進行恢復，然后繼續累積。

2 掉電檢測原理圖

掉電檢測原理：對整流后的電壓進行分壓，分壓后的信號輸入到單片機的AD采樣口，如圖1所示。在正常工作范圍內時，分壓信號保證電能表正常工作；當電壓低于一定值，分壓信號低于設定的門限值時，進入掉電模式，停止其他工作，保存數據與參數，防止數據的丟失，并為下次重新上電恢復工作做準備[1-2]。

圖1 掉電檢測原理圖

3 主要技術指標

（1）輸入電壓：DC 9.6～22.4 V；

（2）掉電閾值：1.5 V，對應交流輸入125 V；

（3）分壓信號：0～5 V；

（4）正常工作溫度范圍：-30～70℃；

（5）極限工作溫度范圍：-40～85℃；

（6）儲藏溫度范圍：-40～85℃。

4 主要元器件選型及參數計算

4.1 芯片輸入阻抗對分壓信號的影響

LOW_POWER處的電壓：

查芯片資料可知（R+R40）?R12，則R+R40+R12≈R+R40，，即可以不考慮芯片輸入阻抗對分壓信號的影響。

4.2 R12、R58阻值選擇

由于電能表的工作電壓很寬，檢測電路參數的選取原則是在電能表的電壓低于60%Un時產生掉電信號；在極限工作電壓1.4Un時，輸入信號不超過單片機I/O檢測范圍。

考慮到降低功耗，取R58=24 kΩ，R12=4.7 kΩ，R58/R12≈5.1，符合上述條件。此時，R58的功率P1=14.62 mW，R12的功率P2=2.86mW，可知R58、R12選用0603封裝。

4.3 對前后級的影響

掉電發生時，整流橋輸出的電壓應能保證后級線性穩壓器78L05穩定輸出，后級78L05的穩壓范圍是DC 7～20 V，即在掉電發生時，整流橋輸出電壓U應大于7 V。

判斷掉電閾值為57%Un，則此時整流橋輸出電壓U=16×0.57=9.12 V，能滿足后級78L05穩定輸出的要求。

4.4 電阻精度及溫漂的影響

在電路中，選用貼片電阻的溫度系數為100×10-6，在全溫度范圍內造成電阻阻值變化為1.25%，選用電阻的精度為1%，綜合考慮精度和溫

漂的影響，貼片電阻全溫度范圍內的精度為2.25%；基準源和A/D采樣精度取為4%；則總誤差范圍為6.25%。

掉電時整流橋輸出電壓的最小值為：

此時，整流橋輸出電壓仍能使后級線性穩壓器78L05輸出穩定直流電壓（從檢測到掉電到CPU復位時間、執行完掉電保存需要的時間、最大不可中斷執行程序的時間）。

另外，為了增加抗干擾能力，增加了電阻R40和電容C15，串聯電阻取值范圍為0.1～10 kΩ，電容取值范圍為0.01～0.1 μF[3]。

5 測試方案

用示波器觀察輸入電壓變化時電表狀態、分壓信號是否滿足設計要求。由于電源電路及芯片的離散性，電能表掉電檢測電壓點可能會有一點差異，一般在（55%～60%）Un之間就算正常，掉電檢測方案如表1所示。

表1 掉電檢測方案

6 其他說明

6.1 印制板設計要求

PCB布板時電源線最小線寬應大于0.5 mm（20 mil），串聯電阻R40離芯片越近越好。

6.2 元器件安裝要求

盡可能采用貼裝器件。

7 結語

本文討論了智能電能表掉電檢測功能，設計出了掉電檢測原理圖，通過理論計算得出了主要元器件的相關參數，能夠滿足國網要求的掉電檢測功能，電路簡單實用，對智能電能表和其他儀器儀表方案的設計和選擇具有指導意義。

[1]吳東，張岡，張志鵬.一種實用的掉電檢測和保護電路[J].電子技術應用，1999，25（6）：69-70.

[2]崇華明，戴慶元.TMDS接口掉電檢測電路的設計[J].微處理機，2008，29（1）：28-30.

[3]林茂疆，鄢萍，易潤忠，等.基于法拉電容的智能儀器儀表掉電保護方案[J].電源技術，2010，34（12）：1292-1295.