基于MSP430FR铁电系列的智能电表外置微型断路器方案

基于MSP430FR铁电系列的智能电表外置微型断路器方案随着智能电网建设的推进，智能电能表费控系统作为量大面广的基础，受到国家电网公司和南方电网公司的重视。为进一步提高电能表费控系统的可靠性，加强电能表外置断路器的质量控制，确保电力系统智能管理、智能服务的安全稳定运行，国家电网公司和南方电网公司分别在2015制定了《电能表外置断路器技术规范》，中国质量认证中心（CQC）在2016年5月份研发并推出了电能表外置断路器的认证业务。电能表外置微型断路器（以下简称：微型断路器）是配合智能电能表实现智能费控功能的关键器件，额定电流相对较大（》60A）的智能电能表一般采用微型断路器的方式来实现各种费控功能。图1是微型断路器示意图。微型断路器是配合智能电表使用，可以实现欠费自动分闸断电，续费自动合闸续电的功能。微型断路器和电表之间有两根线连接，分别是控制信号线和反馈线。控制线采用AC220V电平方式，控制单元供电从控制信号线取电，拉闸动作时可以从相线短暂用电，动作结束后相线泄露电流需要小于0.2mA。反馈信号也采用AC220V电平方式，内部串联100kΩ电阻后输出。控制单元上包含一个用于带动执行机构的直流马达，通过马达动作带动断路器分闸和合闸，并由位置传感器检测马达的实际位置。图1.电能表外置断路器示意图根据《电能表外置断路器技术规范》，微型断路器需要满足以下技术要求：1）额定控制电平电压：AC220V；2）额定控制电平电流：≤1mA；3）相线泄露电流：控制单元合闸后，每相线消耗的稳态电流小于0.2mA；4）额定频率：50Hz或60Hz；5）自动合闸时间：≤3s；6）上电延时：≥4s。外置微型断路器为全自动断路器，具备欠费分闸、付费合闸、费控状态指示、欠费脱口保持、状态反馈等功能。根据设计要求，图2所示为推荐的微型断路器系统框图。图2.微型断路器系统框图微型断路器的技术参数中有要求相线泄露电流在控制单元合闸后，每相线消耗的稳态电流小于0.2mA，因此必须要采用超低功耗的MCU。根据微型断路器控制单元的功能和性能，总结MCU的具体技术要求：1）低功耗：不超过150uA；2）Flash：4KB左右；3）RAM：1KB左右；4）具备片内EEPROM；5）封装：20脚，TSSOP封装；6）ADC：10位或12位，1通道。根据以上的MCU具体技术要求，我们选择了MSP430FR铁电系列的MSP430FR2111，这是TI公司为微型断路器、充电宝、电子烟等领域量身定制的超低功耗的MCU。MCU发出的合闸和分闸指令需要由直流电机来执行，并最终带动执行机构完成动作。这个系统里采用DRV8848方案，其一组控制输出直接驱动直流电机执行指令，另一组输出用来控制位置霍尔传感器DRV5023的供电电源通断，以降低合闸后的系统功耗，从而达到0.2mA输入电流的要求。微型断路器需要从交流供电线取电，且方案对体积要求较高，因此方案选用集成MOSFET的UCC28910原边控制反激方案。UCC28910是专门用于隔离反激式电源，在无需光耦合器的情况下提供稳定的输出电压和电流，其内置的700V启动和智能电源管理模块可以在保证器件实现高压启动情况下，使器件在正常工作期间将内部高压启动电流源关闭，因此方案可实现极低的待机功率，以满足0