智能電能計(jì)量應(yīng)用中的數(shù)字隔離

直流容限電流互感器長期以來一直用于檢測智能電表中的交流電流，但它們有缺點(diǎn)并且可能很昂貴。對于某些應(yīng)用，電阻分流器是更好的電流傳感器，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低廉，高度線性且不受磁影響。遺憾的是，電阻分流器不具有電流互感器固有的電氣隔離。在需要隔離的智能電表等應(yīng)用中，采用隔離電源技術(shù)的數(shù)字隔離器與分流電阻器相結(jié)合，可以很好地解決這一問題。

單相防篡改智能電表

考慮圖1中的單相防篡改智能電表。模擬前端 （AFE） IC 通過使用電阻分流器測量相電流和使用簡單的分壓器測量相電壓來計(jì)算能量并監(jiān)控負(fù)載質(zhì)量。在此應(yīng)用中，電源線相電壓用作AFE的接地參考。中性線電流測量必須隔離，以保護(hù)AFE免受高壓的影響。AFE 使用標(biāo)準(zhǔn) SPI 或 I 將計(jì)算出的電量傳輸?shù)?a target="_blank">微控制器 （MCU）2C 通信。然后，MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送到通信模塊，通常使用UART接口，必須確保安全隔離并避免接地環(huán)路。因此，MCU必須與AFE隔離，與通信模塊共享接地（隔離1），或與通信模塊隔離，與AFE共享接地（隔離2）。

圖1.單相防篡改智能電表

儀表電源來自電源線，但安全隔離柵會產(chǎn)生兩個(gè)電源域。圖1中的PS1與相位位于同一域中，無需隔離AFE即可使用。但是，安全隔離柵 1 或 2 需要使用隔離電源 PS2 為 MCU 和通信模塊供電（隔離 1），或者僅向通信模塊供電（隔離 2）。

總而言之，單相防篡改儀表中的多個(gè)點(diǎn)需要隔離：

中性線電流檢測

AFE 和 MCU 之間（隔離 1）或 MCU 和通信模塊之間（隔離 2）

必須通過隔離柵1和2的信號是數(shù)字信號。已經(jīng)開發(fā)出許多技術(shù)來隔離數(shù)字信號。傳統(tǒng)方法使用帶有LED和光電二極管的光耦合器。然而，較新的技術(shù)以使用芯片級變壓器的數(shù)字隔離器的形式存在。我例如，與光耦合器相比，耦合器數(shù)字隔離器具有更高的可靠性、更小的尺寸、更低的功耗、更高的通信速度、更好的定時(shí)精度和易用性等優(yōu)勢。芯片級隔離技術(shù)還可以與其他半導(dǎo)體電路結(jié)合使用，以小尺寸實(shí)現(xiàn)高度集成的解決方案。這些優(yōu)勢在具有較高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中最為強(qiáng)。智能電能計(jì)量就是這樣一種應(yīng)用，因?yàn)檩^新的電表現(xiàn)在需要更高的實(shí)時(shí)信息流。?

芯片級變壓器也可用于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，允許將數(shù)據(jù)和電源隔離集成到單個(gè)封裝中。我耦合器產(chǎn)品提供這種能力，將isoPower隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器集成到與隔離數(shù)據(jù)通道相同的表面貼裝薄型封裝中?？紤]上例中的零線電流檢測。傳統(tǒng)上使用電流互感器，因?yàn)樗峁┕逃械母綦x，但電流互感器必須具有直流耐受性以避免飽和，這增加了其成本。它們還引入了相位延遲，相位延遲因頻率分量而異，因此很難在整個(gè)頻譜上進(jìn)行補(bǔ)償。分流器具有明顯的優(yōu)勢。它們更便宜，不受外部交流或直流磁場的影響，并且與用于檢測相電流的分流器具有相同的特性。但是，它們本質(zhì)上并不是孤立的。使用數(shù)字隔離器可以克服這個(gè)問題，該隔離器集成了一個(gè)帶隔離數(shù)據(jù)通道的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這允許單相防篡改智能電表的新結(jié)構(gòu)（圖 2）。?

圖2.單相防篡改智能電表，帶包含芯片級變壓器的IC

這種新結(jié)構(gòu)使用AFE1測量從線路電流派生的電量，使用AFE2測量從零線電流派生的電量。兩種電流均使用不受外部磁場影響的分流器進(jìn)行測量，從而消除了篡改問題。AFE2使用包含基于數(shù)字隔離器的隔離電源的IC接收電源。它使用嵌入在同一IC中并使用相同的技術(shù)的隔離數(shù)據(jù)通道與MCU通信。

同樣的方法，將包含隔離電源和隔離數(shù)據(jù)通道的IC應(yīng)用于通信模塊，因?yàn)樗€需要隔離電源和通過隔離柵進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

與難以認(rèn)證的大型、昂貴的隔離電源相比，這種方法的優(yōu)勢顯而易見。數(shù)字隔離技術(shù)創(chuàng)造了業(yè)界最小的UL認(rèn)證DC-DC轉(zhuǎn)換器。IC具有高熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性、優(yōu)異的耐化學(xué)性和良好的ESD性能。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以專注于改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而不必?fù)?dān)心隔離。

三相智能電表

在處理三相智能電表時(shí)，也可以采用相同的方法（圖 3）。在經(jīng)典的四線制系統(tǒng)中，選擇零線作為儀表AFE的接地參考。相電流使用電流互感器測量。電源使用所有三相來創(chuàng)建兩個(gè)域：一個(gè)為AFE供電，另一個(gè)為通信模塊供電，出于安全原因，必須將其隔離。MCU 可以放置在任一域中，因此在 AFE 和 MCU 之間（隔離 1）或 MCU 和通信模塊之間（隔離 2）之間存在一個(gè)隔離柵。

圖3.三相智能電表

與單相防篡改表的方法類似，使用數(shù)字隔離技術(shù)，電流傳感器可以用使用分流器的隔離模塊代替，并且可以使用包含通過隔離柵通信的隔離電源和數(shù)據(jù)通道的 IC 為通信模塊供電并與 MCU 通信（圖 4）。

圖4.三相智能電表，帶包含芯片級變壓器的IC

結(jié)論

直流容限電流互感器可以成功地被分流器和數(shù)字隔離器所取代，這些分流器和數(shù)字隔離器使用芯片級技術(shù)集成數(shù)據(jù)和電源隔離。與傳統(tǒng)光耦合器相比，這些數(shù)字隔離器具有優(yōu)勢，并且可以支持各種串行通信：SPI、I2C 或 UART。它們確實(shí)是光耦合器的替代品，因?yàn)樗鼈兲峁└叩男阅?、更易于使用且更可靠?/p>

這改變了構(gòu)建智能電表的系統(tǒng)視角：

相位電流和零線電流可以通過電阻分流器檢測，消除了磁篡改的威脅和處理電流互感器相位延遲的困難。

單相和三相電表都可以使用單個(gè)主電源，使用UL認(rèn)證的IC。特別是在三相電表中，這可以大大減少電源占用空間，從而實(shí)現(xiàn)更小的電表外殼尺寸。

審核編輯：郭婷