低功耗、高精度交直流自复式过欠压控制原理与策略

在国家标准 JB/T 12762-2015 中，自恢复式过欠压保护器，简称 OUPA，是指“能自动检测线路电压，当线路中过电压或欠电压超过规定值时能自动断开，当线路电压恢复正常时能自动闭合的装置"。该标准同时规定，自复式过欠压保护器，额定电流优选值为10,13,16,20,25,32,40,50,63,80,100,125A,额定电压优选值为 230V/400V,额定频率标准值为 50HZ由此决定了该产品主要适用于家庭及商场配电(单相 AC230V，三相四线 AC415V)的线路中，作为过电压、欠电压、断相、断零线保护用。

随着我国电网质量不断的提升，供电的稳定性、停电时间长短、停电区域面积，有着严格的考核电网本身出现过/欠压的概率可以说是比较低了。但电网波动还是存在的，比如夏季用电高峰期，大家集中使用空调等设备时，会出现电压偏低的情况。这个时候，虽然部分家用电器本身设计有过欠/压保护电路，或者有些电器允许很宽的工作电压范围。但是家用电器长期在低电压下运行，势必对电机本身造成损坏，影响产品的使用寿命。再比如，偶然因为小区的变压器或者配电室故障引起的停电事故等，在停电的一瞬间，电压是比较高的，这个时候家里的电器最容易损毁。况且并不是所有家电都具有很宽的工作电压，而自复式过欠压保护器主要安装在住宅分户箱进线总开关处，保护的是整个线路，也就是电网中过/欠压情况发生时，避免给家里的各种用电设备造成损坏。

自复式过欠压保护器，是带有芯片计算的，是一个反时限保护，在不同的电压下，有不同的延时保护值。我们查阅了国标JB/T12762-2015中，第8.5条，该条款明确指明了过欠压保护器在不同电压等级下,应该在多少秒内是不动作的,多少秒内是必须动作的,特别是在备注里，要求过欠压保护器能够承受 440V的过电压并且可靠动作，这一点一般产品比拟不了。

图2 国标中过压反延时特性

自复式过欠压当前性价比较高的电路如图所示，由电压值及相位检测部分、电源供电部分、 运算及外围部分、报警和指示部分及继电器开关部分组成。

继电器的选择直接影响供电电路。继电器目前有两种选择：普通型和磁保持型。磁保持继电器正常工作是靠磁场吸合，线圈不带电，无功耗，节能环保。而普通的继电器，正常工作要靠通电线圈吸合，平均功耗约 2W！我们简单算一笔账，假设大家都选用某 D 品牌的优质产品， 与一般产品比，单只产品每月可节约 1.44 度电，每年节约 17.28 度电，按照市场总需求 300 万/只/年，电费 0.5元/度预估，可为全社会节约电能 5184 万度，折合人民币 2592 万！

计算公式 如下：

单只产品每年节约电能:

2W * 24h * 30天 * 12月=17.28 度

300万只产品每年节约电能:

17.28度 * 300万只=5184 万度电

如前所述，继电器的类型对电源供电部分的设计具有重要影响。 

3.1   磁保持继电器电源供电设计

如前所述，磁保持继电器只有在开关切换时会产生功耗，其他时间只有监控部分工作。为此，电源供电设计时只考虑磁保持驱动时所需要的供电，且多数采用大容量电容来实现，如图 5 所示。

图 5（a） 中采用的是电容降压方法，这种供电方式可实现普通和磁保持两种继电器的供电，较为常用，但是因高压电容（安规或 CBB）在长期工作后会出现衰减问题，设计时需要预留足够的余量。图 5（b）为矽源半导体研发的专用线性电源芯片，通过外围稳压二极管可实现不同工作电压磁保持继电器的需求，同时提供快慢两种电压，满足采样电路和功率电路不同上电时间需求（ VDD用于给检测电路供电， VPP用于给继电器供电）。

3.2  普通继电器电源供电设计

普通继电器的应用，需要能够持续为继电器提供 30mA 左右的供电电流，为此除了图 5（a）中的供电方案外，还有图 6 中的两种方案。

a 专用继电器供电芯片               b 非隔离 AC-DC 电源

图 6(a)为矽源半导体研发的开关节能型电源芯片，可实现 24V±5%精度的输出电压，在全波整流时，可实现持续 50mA 的供电电流，半波整流时可实现 30mA的持续供电电流，且这种方案外围电路简单，成本较低，且能够抑制 ±4000V 的浪涌测试。图6(b) 同样为矽源半导体研发的浪涌抑制型非隔离 AC-DC 芯片，可实现 24V，100mA 的持续供电能力。两种方案均可满足普通继电器长期有效工作的基本要求。

3.3 电压检测设计

自复式过欠压最核心的一个指标就是电压,电压采集的精度直接决定了过欠压产品的质量和性能等级。电压的采集主要通过分压电阻来实现，如图7所示。

图 7(a)为电压分压检测具体实现电路，分为主功率和检测两部分。主功率因为有较大功率，会在路径上形成压降，对电压采样精度会有影响，因而独立一路整流支路作为采集，精度和稳定性更高。分压滤波方面，目前采用单片机实现时多采用图 7(b) 的 RMS 滤波形式，在分压电阻下端并联一个较大的滤波电容，形成一个 RMS 积分和采集过程，但是这种方式会有电压检测延时,且随着电容的衰减会产生较大误差,因而设计时需要留足余量。图 7(c) 为峰值检测方式,这种方式检测输入电压的峰值，速度快而且精度高，但是这种检测方式算法较为复杂，矽源半导体的 SS513X采用的是峰值检测方式。

自复式过欠压主要应用于 220V家用场景，电压工作范围在 90VAC~400VAC。同时考虑磁保持和普通继电器的应用方案，需强调如下关键点:

1.磁保持继电器因运输过程中或震动情况引起继电器状态无法确定,需要在上电 40ms 时间内完成继电器处于关断状态的处理；

2.自复式过欠压产品需要保证长时间工作而不出现安全隐患，需要对电源供电电路长期可靠性做充分评估；

3.普通继电器长时间工作于欠压或过压状态时，继电器线圈能否长时间工作的充分评估。

图9 普通继电器+电容降压 自复式重合闸