Fusibili elettronici per contatori intelligenti

Il convertitore flyback illustrato nella figura in apertura funziona accumulando energia da una sorgente di ingresso in un trasformatore fintanto che l’interruttore principale è acceso. Quando l’interruttore viene spento, la tensione del trasformatore viene invertita, polarizzando direttamente il/i diodo/i a ruota libera all'uscita e fornendo energia alla/e uscita/e. Con una topologia flyback, un’uscita può essere positiva o negativa (definita dal punto di polarità del trasformatore).

Nel caso di convertitori flyback multiuscita, la tecnica consiste nell’avere avvolgimenti multipli sul trasformatore seguiti da un circuito a diodo e condensatore, come illustrato nella Figura 2.

Fig. 2: Schema a blocchi di un flyback multiuscita

La Figura 3 mostra lo schema a blocchi di un alimentatore SMPS per un contatore intelligente monofase/trifase. Le tensioni di uscita tipiche sono:

  • 3,3 V per l’alimentazione del microcontrollore;

  • 12 V per il relè a ritenuta per la connessione/disconnessione;

  • 6 V - 9 V per interfacce RS-485/RS-232 isolate;

  • 16 V per la comunicazione con il controllore logico programmabile (PLC);

  • 3,8 V - 4,2 V per il modem GSM (Global System for Mobile Communications) / GPRS (General Packet Radio Service);

  • 3,3 V per il modulo a radiofrequenza (RF) Sub-1 GHz;

  • 3,3 V per il modulo RF a 2,4 GHz.

    Fig. 3: Schema di un SMPS in un contatore intelligente

Nella topologia flyback multiuscita utilizzata negli smart meter, una uscita è il master e tutte le restanti uscite sono slave. “Una uscita è il master” significa che il circuito di retroazione è chiuso su quell’uscita, per cui l’uscita master è regolata in modo preciso, mentre le restanti uscite sono quasi regolate. La regolazione può essere migliorata con varie tecniche quali avvolgimenti CA o CC sovrapposti e retroazione ponderata. Tuttavia, la protezione da sovraccarico/cortocircuito presenta diversi problemi in un’alimentazione multiuscita. Il controller a modulazione di larghezza di impulso (PWM) andrà in modalità Hiccup in caso di sovraccarico o cortocircuito di una delle uscite, con la conseguente caduta di tutte le tensioni di alimentazione – inclusa quella principale da 3,3 V per l’alimentazione del microcontrollore. In questo modo il microcontrollore non è più in grado di misurare l’energia, vanificando così lo scopo principale di un contatore intelligente.

La Figura 4 mostra lo schema di principio di un SMPS con il fusibile elettronico (eFuse) di TI per risolvere i problemi e gli inconvenienti descritti negli schemi precedenti. Il TPS25921 può essere utilizzato per le tensioni del relè a ritenuta, del PLC e delle interfacce RS-485/RS-232, mentre il TPS25200 può occuparsi delle tensioni di alimentazione per le comunicazioni tramite Sub-1 GHz, Zigbee e modem GSM/GPRS.

Fig. 4: Schema di principio dell’SMPS per un contatore intelligente

L’eFuse di TI è un dispositivo per la protezione attiva del circuito che limita la corrente di spunto e previene danni da carico dovuti a eventi di sovracorrente. Dispone di un transistor a effetto di campo (FET) interno per controllare la corrente di carico e integra una protezione da sovracorrente e cortocircuiti. La Figura 5 mostra il relativo schema a blocchi.

Fig. 5: Schema a blocchi di eFuse

Il limite di sovracorrente preciso consente di minimizzare il sovradimensionamento dell’alimentatore, mentre la protezione da cortocircuito a risposta rapida isola immediatamente il carico dall’ingresso. Questi dispositivi consentono di programmare la soglia limite di sovracorrente con un resistore esterno. Ulteriori funzionalità includono la protezione da sovratemperatura per uno spegnimento sicuro in caso di sovracorrente e la possibilità di scegliere il riavvio automatico o in modalità a ritenuta.

In questo modo, il dispositivo eFuse consente di isolare una tensione di alimentazione che subisce un sovraccarico o un cortocircuito senza compromettere la tensione principale (3,3 V) del microcontrollore che misura l’energia.

Risorse supplementari:

  • Download del progetto di riferimento della soluzione per la limitazione precisa della potenza

  • Rapporto applicativo “UCC28722, Considerazioni sulla progettazione di un’alimentazione bias per applicazioni eMeter intelligenti.”

  • Maggiori informazioni sulla progettazione di un SMPS per convertitori flyback per contatori intelligenti con il progetto di riferimento di un convertitore flyback AC/DC snubberless non isolato con trasformatore semplificato

  • Ulteriori post sul blog della community E2E™:

  • Come risolvere le sfide principali nella progettazione di alimentazioni per contatori intelligenti.”

  • Consigli per l’alimentazione: considerazioni sulla progettazione di convertitori ad alta tensione in un MOSFET a cascode.”

  • Maggiori informazioni sull'applicazione per contatori elettrici

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