智能型电能计量数字隔离器

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目前在智能电表中,使用兼容直流功能的电流互感器来检测交流电流,存在一定的缺陷,且价格高昂。分流电阻由于其成本低、线性度高、抗磁场干扰能力强等特点,是一种较好的电流传感器选择。然而,分流电阻并没有电流互感器固有的电隔离特性。对于需要隔离的智能电表等应用来说,采用隔离电源技术的数字分离器和分流电阻的组合可以提供一个很好的解决方案。
 
一、单相防窃电智能电表
考虑图1所示的单相防窃电智能电表。模拟前端(AFE) IC利用分流电阻测量相位电流,并利用一个简单的分压器测量相位电压,从而计算电能并监控负载的质量。在这种应用中,电力线相位电压用作AFE的接地参考。零线电流测量必须隔离,从而保护AFE免受高压影响。AFE利用标准SPI或I2C通信将计算得到的电气量传输给微控制器(MCU)。然后,MCU将数据发送到通信模块,通常使用UART接口,必须确保安全隔离并避免接地环路。因此,MCU必须与AFE隔离,与通信模块共地(隔离1),或者与通信模块隔离,与AFE共地(隔离2)。
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                 图1. 单相防窃电智能电表
 
电表电源从电力线获得,但安全隔离栅会产生两个电源域。图1中的PS1与相电源是同一电源域,可以直接使用而无需隔离AFE。然而,安全隔离栅1或2则需要使用隔离电源PS2来为MCU和通信模块(隔离1)提供电源,或者仅为通信模块(隔离2)供电。
 
总而言之,单相防窃电电表中有多个点需要隔离:
●   零线电流检测
●   AFE与MCU(隔离1)之间或MCU与通信模块之间(隔离2)
 
必须通过隔离栅1和2的信号是数字信号。为了隔离数字信号,已经开发出许多技术。传统方法使用带LED和光电二极管的光耦合器,较新的技术则是使用芯片级变压器的数字隔离器。例如,与光耦合器相比,iCoupler®数字隔离器具有许多优势,包括:更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、时序精度更佳、易于使用。芯片级隔离技术也可以与其他半导体电路结合,实现小尺寸、高集成度解决方案。在数据速率较高的应用中,这些优势尤其显著。智能电能计量就是这样一种应用,目前新式电表需要更高的实时信息流量。
 
芯片级变压器也可以用在隔离式DC-DC转换器中,从而将数据和电源隔离集成到单个封装中。iCoupler 产品就有这种能力,isoPower® 隔离式DC-DC转换器可集成到隔离式数据通道所在的同一薄型表贴封装中。考虑上例中的零线电流检测。传统上使用电流互感器,因为它本身能够提供隔离,但电流互感器必须为直流兼容型以免饱和,这会提高其成本。
 
此外,它还会引入相位延迟,相位延迟随频率成分不同而异,因此难以在整个频谱范围内进行补偿。分流电阻具有明显的优势。不仅价格低廉,不受外部交流或直流磁场的影响,而且与用于检测相电流的分流电阻具有相同的特性。然而,分流电阻本身不具隔离性。使用集成DC-DC转换器和隔离数据通道的数字隔离器可以解决这一问题。这样就产生一种新的单相防窃电智能电表结构(图2)。
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            图2. IC内置芯片级变压器的单相防窃电智能电表
 
新结构利用AFE1测量从线路电流获得的电气量,利用AFE2测量从零线电流获得的电气量。两个电流均利用不受外部磁场影响的分流电阻测量,从而消除窃电之忧。AFE2利用一个IC接收功率,该IC包含一个基于数字隔离器的隔离电源。它利用嵌入同一IC并采用相同技术的隔离数据通道与MCU通信。
 
可以将同样的方法(IC同时包含隔离电源和隔离数据通道)应用于通信模块,因为它也需要一个隔离电源并通过隔离栅进行数据通信。
 
与大型、昂贵、难以通过认证的隔离电源相比,这种方法的优势显而易见。数字隔离技术造就了业界最小的UL认证DC-DC转换器,这些IC具有很高的热稳定性和机械稳定性、出色的耐化学腐蚀性以及良好的ESD性能。设计工程师现在可以集中精力改善系统设计,而无需担心隔离问题。
 
二、三相智能电表
对于三相智能电表(图3),可以采用同样的方法。在传统的四线系统中,零线被选作电表AFE的接地参考。相电流利用电流互感器测量。电源利用所有三相创建两个电源域:一个为AFE供电,一个为通信模块供电,电源必须进行隔离以保证安全。MCU可以置于任一电源域中,因此AFE与MCU之间(隔离1)或MCU与通信模块之间(隔离2)都存在一个隔离栅。
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             图3. 三相智能电表
 
类似于单相防窃电电表所采用的方法,利用数字隔离技术,可以将电流传感器替换为使用分流电阻的隔离模块,通信模块可以利用包含隔离电源和数据通道(可通过隔离栅通信)的IC供电并与MCU通信(图4)。
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          图4. IC内置芯片级变压器的三相智能电表
 
三、结束语
分流电阻和芯片级数字隔离器可完全替代直流兼容型电流互感器,实现数据和电源的双重隔离。数字隔离器比传统的光耦更优越,并支持多种串行通讯: SPI、I2C或 UART。数字隔离器性能更高,更容易使用,更可靠,可称得上是光耦的真正替代品。数字隔离装置使得智能仪表的系统结构有以下改变:利用分路电阻检测相电流和零线电流,从而消除了通过磁场干扰窃电的危险;解决了电流互感器相位延迟问题。采用 UL认证的 IC,单相表和三相表都可以使用单一主电源。尤其在三相电表中,这样可以大大减小电源尺寸,减小电表外壳尺寸。
 
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