單相防竊電智能電表

 

考慮圖1所示的單相防竊電智能電表。模擬前端(AFE) IC利用分流電阻測量相位電流，并利用一個簡單的分壓器測量相位電壓，從而計算電能并監控負載的質量。在這種應用中，電力線相位電壓用作AFE的接地參考。零線電流測量必須隔離，從而保護AFE免受高壓影響。AFE利用標準SPI或I2C通信將計算得到的電氣量傳輸給微控制器(MCU)。然后，MCU將數據發送到通信模塊，通常使用UART接口，必須確保安全隔離并避免接地環路。因此，MCU必須與AFE隔離，與通信模塊共地（隔離1），或者與通信模塊隔離，與AFE共地（隔離2）。

 

圖1. 單相防竊電智能電表

 

電表電源從電力線獲得，但安全隔離柵會產生兩個電源域。圖1中的PS1與相電源是同一電源域，可以直接使用而無需隔離AFE。然而，安全隔離柵1或2則需要使用隔離電源PS2來為MCU和通信模塊（隔離1）提供電源，或者僅為通信模塊（隔離2）供電。

 

總而言之，單相防竊電電表中有多個點需要隔離：

 

●   零線電流檢測

●   AFE與MCU（隔離1）之間或MCU與通信模塊之間（隔離2）

 

必須通過隔離柵1和2的信號是數字信號。為了隔離數字信號，已經開發出許多技術。傳統方法使用帶LED和光電二極管的光耦合器，較新的技術則是使用芯片級變壓器的數字隔離器。例如，與光耦合器相比，iCoupler®數字隔離器具有許多優勢，包括：更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時序精度更佳、易于使用。芯片級隔離技術也可以與其他半導體電路結合，實現小尺寸、高集成度解決方案。在數據速率較高的應用中，這些優勢尤其顯著。智能電能計量就是這樣一種應用，目前新式電表需要更高的實時信息流量。

 

芯片級變壓器也可以用在隔離式DC-DC轉換器中，從而將數據和電源隔離集成到單個封裝中。iCoupler 產品就有這種能力，isoPower® 隔離式DC-DC轉換器可集成到隔離式數據通道所在的同一薄型表貼封裝中。考慮上例中的零線電流檢測。傳統上使用電流互感器，因為它本身能夠提供隔離，但電流互感器必須為直流兼容型以免飽和，這會提高其成本。此外，它還會引入相位延遲，相位延遲隨頻率成分不同而異，因此難以在整個頻譜范圍內進行補償。分流電阻具有明顯的優勢。不僅價格低廉，不受外部交流或直流磁場的影響，而且與用于檢測相電流的分流電阻具有相同的特性。然而，分流電阻本身不具隔離性。使用集成DC-DC轉換器和隔離數據通道的數字隔離器可以解決這一問題。這樣就產生一種新的單相防竊電智能電表結構（圖2）。

 

圖2. IC內置芯片級變壓器的單相防竊電智能電表

 

新結構利用AFE1測量從線路電流獲得的電氣量，利用AFE2測量從零線電流獲得的電氣量。兩個電流均利用不受外部磁場影響的分流電阻測量，從而消除竊電之憂。AFE2利用一個IC接收功率，該IC包含一個基于數字隔離器的隔離電源。它利用嵌入同一IC并采用相同技術的隔離數據通道與MCU通信。

 

可以將同樣的方法（IC同時包含隔離電源和隔離數據通道）應用于通信模塊，因為它也需要一個隔離電源并通過隔離柵進行數據通信。

 

與大型、昂貴、難以通過認證的隔離電源相比，這種方法的優勢顯而易見。數字隔離技術造就了業界最小的UL認證DC-DC轉換器，這些IC具有很高的熱穩定性和機械穩定性、出色的耐化學腐蝕性以及良好的ESD性能。設計工程師現在可以集中精力改善系統設計，而無需擔心隔離問題。

 

三相智能電表

 

對于三相智能電表（圖3），可以采用同樣的方法。在傳統的四線系統中，零線被選作電表AFE的接地參考。相電流利用電流互感器測量。電源利用所有三相創建兩個電源域：一個為AFE供電，一個為通信模塊供電，電源必須進行隔離以保證安全。MCU可以置于任一電源域中，因此AFE與MCU之間（隔離1）或MCU與通信模塊之間（隔離2）都存在一個隔離柵。

 

圖3. 三相智能電表

 

類似于單相防竊電電表所采用的方法，利用數字隔離技術，可以將電流傳感器替換為使用分流電阻的隔離模塊，通信模塊可以利用包含隔離電源和數據通道（可通過隔離柵通信）的IC供電并與MCU通信（圖4）。

 

圖4. IC內置芯片級變壓器的三相智能電表

 

結束語

 

分流電阻和芯片級數字隔離器完全可以取代直流兼容型電流互感器，同時實現數據隔離和電源隔離。數字隔離器優于傳統的光耦合器，并且支持多種串行通信：SPI、I2C或UART。數字隔離器性能更高、更易使用、更加可靠，堪稱光耦合器的真正替代產品。

 

數字隔離器使智能電表的系統架構發生如下變化：

 

相電流和零線電流可以利用分流電阻檢測，從而 •消除通過磁場干擾竊電的風險，以及處理電流互感器相位延遲的難題。

使用UL認證的IC，單相和三相電表均可以使用 •單一主電源。特別是在三相電表中，這可以顯著縮小電源尺寸，使電表外殼尺寸更小。

 

 

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