智能电表外置微型断路器方案设计
前言：
作者：华东区工程师 Johnny Guo, Daniel Fang, Martin Yu
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。
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。
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0.2mA输入电流要求。UCC28910输出电压为12V，给微型断路器的直流电机和位置霍尔传感器供电，同时通过TLV70433将12V转化为3.3V给MCU供电。
