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(jiān)控負(fù)載的質(zhì)量。在這種應(yīng)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(hù)AFE免受高壓影響。AFE利用標(biāo)準(zhǔn)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(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(chǎn)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(shù)字信號。為了隔離數(shù)字信號，已經(jīng)開發(fā)出許多技術(shù)。傳統(tǒng)方法使用帶LED和光電二極管的光耦合器，較新的技術(shù)則是使用芯片級變壓器的數(shù)字隔離器。例如，與光耦合器相比，iCoupler®數(shù)字隔離器具有許多優(yōu)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(shù)也可以與其他半導(dǎo)體電路結(jié)合，實現(xiàn)小尺寸、高集成度解決方案。在數(shù)據(jù)速率較高的應(yīng)用中，這些優(yōu)勢尤其顯著。智能電能計量就是這樣一種應(yīng)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(zhuǎn)換器中，從而將數(shù)據(jù)和電源隔離集成到單個封裝中。iCoupler 產(chǎn)品就有這種能力，isoPower® 隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可集成到隔離式數(shù)據(jù)通道所在的同一薄型表貼封裝中?？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(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。分流電阻具有明顯的優(yōu)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(zhuǎn)換器和隔離數(shù)據(jù)通道的數(shù)字隔離器可以解決這一問題。這樣就產(chǎn)生一種新的單相防竊電智能電表結(jié)構(gòu)（圖2）。

 

圖2. IC內(nèi)置芯片級變壓器的單相防竊電智能電表

 

新結(jié)構(gòu)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(shù)字隔離器的隔離電源。它利用嵌入同一IC并采用相同技術(shù)的隔離數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通道）應(yīng)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

 

與大型、昂貴、難以通過認(rèn)證的隔離電源相比，這種方法的優(yōu)勢顯而易見。數(shù)字隔離技術(shù)造就了業(yè)界最小的UL認(rèn)證DC-DC轉(zhuǎn)換器，這些IC具有很高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性、出色的耐化學(xué)腐蝕性以及良好的ESD性能。設(shè)計工程師現(xiàn)在可以集中精力改善系統(tǒng)設(shè)計，而無需擔(dān)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(tǒng)的四線系統(tǒng)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(chuàng)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(jìn)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(shù)字隔離技術(shù)，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(shù)據(jù)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(nèi)置芯片級變壓器的三相智能電表

 

結(jié)束語

 

分流電阻和芯片級數(shù)字隔離器完全可以取代直流兼容型電流互感器，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離和電源隔離。數(shù)字隔離器優(yōu)于傳統(tǒng)的光耦合器，并且支持多種串行通信：SPI、I2C或UART。數(shù)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(chǎn)品。

 

數(shù)字隔離器使智能電表的系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)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(fēng)險，以及處理電流互感器相位延遲的難題。

使用UL認(rèn)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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