利用数字隔离器解决智能电表隔离问题

feixiang199

　　直流电（DC）耐受电流变压器被使用于智能型电表（Smart Meter）中感测AC（交流电）电流已经有很长的时间，但是它们有某些缺点，而且可能很昂贵。对于某些应用装置而言，电阻式分流器是较佳的电流感测器，因为比较没那么昂贵，而且具有高线性度，又能够抵抗磁力的影响。
　　但不幸的是，电阻式分流器本身并不具备电流变压器的电力隔离功能。在如智能型电表之类须要隔离的应用装置内，具备隔离式电力技术并结合分流电阻的数位隔离器，则为以上这个问题提供了解决方案。隔离器有很多种分类，如光电隔离器、信号隔离器、天线隔离器和总线隔离器等等，了解关于天线隔离器的详细信息请点击此处：http://www.dzsc.com/product/searchfile/24464.html
　　改进单相位防窜改智能型电表
　　在单相位防窜改智能型电表（图1）中，类比前端（AFE）IC会利用电阻分流器量测相位电流，以及利用简单的电压分配器量测相位电压，藉以计算能源与监测负载的品质。

　　图1 单相位防窜改智能型电表
　　在这个应用装置内，电力线相位电压被当作使用于AFE的接地参考。中性线路电流的量测必须加以隔离，以便让AFE能够避开高电压。AFE会利用标准串列周边介面（SPI）或是I2C通讯将经过计算的电量发送到微控制器（MCU）。MCU接着就会将资料传送到通讯模组，且通常会使用必须确保安全隔离与避免接地回路的通用异步收发器（UART）介面。如此一来，MCU若不是与AFE隔离并且与通讯模组（Isolation 1）共用接地，就是与通讯模组隔离而与AFE共用接地（Isolation 2）。
　　电表的电源供应来自于电力线（Power Line），但两组电力域则是由安全隔离屏障所建立出来的。图1内的PS1与相位处于同一个电力域内，而且可以不须要隔离AFE就加以使用。然而，不论是安全隔离屏障1或2都须使用隔离式电源供应PS2,藉以将电力提供给MCU与通讯模组（Isolation 1），或是只提供给通讯模组（Isolation 2）。
　　总而言之，在单相位防窜改电表中有多个位置须要隔离，包括中性线路电流感测，以及在AFE与MCU（Isolation 1）之间或是MCU与通讯模组（Isolation 2）之间。
　　必须通过隔离屏障1与2的讯号采数位格式。已经有许多能够隔离数位讯号的技术被开发出来。传统的方案采用具有发光二极体（LED）和光电二极体的光耦合器。然而，较新的技术则是以采用晶片等级变压器的数位隔离器方式存在。
　　举例来说，亚诺德（ADI）iCoupler数位隔离器相较于光耦合器具有以下几项优点：更好的可靠度、更小的尺寸、更低的功率耗损、更高的通讯速度、更好的时序精确度，以及易于使用的特点。
　　此外，晶片等级的隔离技术也能够与其他的半导体电路结合，藉以在很小的基底尺寸内实现高整合度的解决方案。智能型电表就是属于这种类型的应用装置，因为目前较新款的电表需要更高的即时资讯流。
　　晶片等级变压器也可以被使用于隔离式直流对直流（DC-DC）转换器中，藉以使资料和电力的隔离能够被整合至单一晶片内。iCoupler产品将isoPower隔离式DC-DC转换器以如同隔离式资料通道的方式整合至相同的表面黏着、低剖面高度封装中，因而能够提供如同前述的能力。
　　以上述范例中的中性线路电流感测为例，在传统上会使用电流变压器的塬因是其本身就具备隔离功能，但是电流变压器必须要有DC耐受能力以避免其饱和，而这会增加成本。它们也会导致因为频率元件而形成差异的相位延迟，因而很难在整个频谱中加以补偿。
　　分流器也具备相当多的优点，例如比较没那么昂贵，不会受外部AC或DC磁场影响，而且也具有与用来感测相位电流之分流器相同的特性。然而，它们本身并没有隔离功能。这点可以利用内含整合式DC-DC转换器与隔离式资料通道的数位隔离器来加以克服。这使得新架构的单相位防窜改智能型电表得以实现（图2）。

　　图2 具有晶片等级变压器IC的单相位防窜改智能型电表
　　此新的架构利用AFE1来量测由线路电流所取得的电量，利用AFE2量测由中性电流所取得的电量。两种电流都以能够抵抗外部磁场的分流器进行量测，因而消除窜改的顾虑。AFE2利用包含以数位隔离器为基础隔离式电源供应IC接收电力。它利用嵌入于相同IC并采用相同技术的隔离式资料通道与MCU进行沟通。
　　而相同的方案--具备包含隔离式电源及隔离式资料通道的IC,可被应用于通讯模组上，这是因为它也需要隔离式电源供应，以及能够穿越隔离屏障的资料通讯。
　　在与难以认证、庞大且昂贵的隔离式电源供应器相比较时，这种方案的优点相当明显；数位隔离技术创造出最小的UL认证DC-DC转换器。这些IC具备在温度与机构方面的高稳定性、良好的耐化学性及静电释放（ESD）性能。设计厂商现在可以专注于系统设计的改善，而不必担心隔离方面的问题。