智能電表外置微型斷路器方案設計
前言：
作者：華東區工程師 Johnny Guo, Daniel Fang, Martin Yu
隨著智能電網建設的推進，智能電能表費控系統作為量大面廣的基礎，受到國家電網公司和南方電網公司的重視。為進一步提高電能表費控系統的可靠性，加強電能表外置斷路器的質量控制，確保電力系統智能管理、智能服務的安全穩定運行，國家電網公司和南方電網公司分別在2015制定了《電能表外置斷路器技術規范》，中國質量認證中心（CQC）在2016年5月份研發并推出了電能表外置斷路器的認證業務。
電能表外置微型斷路器（以下簡稱：微型斷路器）是配合智能電能表實現智能費控功能的關鍵器件，額定電流相對較大（>60A）的智能電能表一般采用微型斷路器的方式來實現各種費控功能。
圖1是微型斷路器示意圖。微型斷路器是配合智能電表使用，可以實現欠費自動分閘斷電，續費自動合閘續電的功能。微型斷路器和電表之間有兩根線連接，分別是控制信號線和反饋線。控制線采用AC220V電平方式，控制單元供電從控制信號線取電，拉閘動作時可以從相線短暫用電，動作結束后相線泄露電流需要小于0.2mA。反饋信號也采用AC220V電平方式，內部串聯100k?電阻后輸出。控制單元上包含一個用于帶動執行機構的直流馬達，通過馬達動作帶動斷路器分閘和合閘，并由位置傳感器檢測馬達的實際位置。
圖 1. 電能表外置斷路器示意圖
根據《電能表外置斷路器技術規范》，微型斷路器需要滿足以下技術要求：
1) 額定控制電平電壓：AC220V；
2) 額定控制電平電流：≤ 1mA；
3) 相線泄露電流：控制單元合閘后，每相線消耗的穩態電流小于0.2mA；
4) 額定頻率：50Hz或60Hz；
5) 自動合閘時間：≤3s；
6) 上電延時：≥ 4s。
1) 額定控制電平電壓：AC220V；
2) 額定控制電平電流：≤ 1mA；
3) 相線泄露電流：控制單元合閘后，每相線消耗的穩態電流小于0.2mA；
4) 額定頻率：50Hz或60Hz；
5) 自動合閘時間：≤3s；
6) 上電延時：≥ 4s。
外置微型斷路器為全自動斷路器，具備欠費分閘、付費合閘、費控狀態指示、欠費脫口保持、狀態反饋等功能。根據設計要求，圖2所示為推薦的微型斷路器系統框圖。
圖 2. 微型斷路器系統框圖
微型斷路器的技術參數中有要求相線泄露電流在控制單元合閘后，每相線消耗的穩態電流小于0.2mA，因此必須要采用超低功耗的MCU。根據微型斷路器控制單元的功能和性能，總結MCU的具體技術要求：
1) 低功耗：不超過150uA；
2) Flash： 4KB左右；
3) RAM：1KB左右；
4) 具備片內EEPROM；
5) 封裝：20 腳，TSSOP封裝；
6) ADC：10位或12位，1通道。
1) 低功耗：不超過150uA；
2) Flash： 4KB左右；
3) RAM：1KB左右；
4) 具備片內EEPROM；
5) 封裝：20 腳，TSSOP封裝；
6) ADC：10位或12位，1通道。
根據以上的MCU具體技術要求，我們選擇了MSP430FR鐵電系列的MSP430FR2111，這是TI公司為微型斷路器、充電寶、電子煙等領域量身定制的超低功耗的MCU。
MCU發出的合閘和分閘指令需要由直流電機來執行，并最終帶動執行機構完成動作。這個系統里采用DRV8848方案，其一組控制輸出直接驅動直流電機執行指令，另一組輸出用來控制位置霍爾傳感器DRV5023的供電電源通斷，以降低合閘后的系統功耗，從而達到0.2mA輸入電流的要求。
微型斷路器需要從交流供電線取電，且方案對體積要求較高，因此方案選用集成MOSFET的UCC28910原邊控制反激方案。UCC28910 是專門用于隔離反激式電源，在無需光耦合器的情況下提供穩定的輸出電壓和電流，其內置的700V 啟動和智能電源管理模塊可以在保證器件實現高壓啟動情況下，使器件在正常工作期間將內部高壓啟動電流源關閉，因此方案可實現極低的待機功率，以滿足0.2mA輸入電流要求。UCC28910輸出電壓為12V，給微型斷路器的直流電機和位置霍爾傳感器供電，同時通過TLV70433將12V轉化為3.3V給MCU供電。
