直流容限電流互感器長(zhǎng)期以來(lái)一直用于檢測(cè)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(duì)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(wèn)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(guò)使用電阻分流器測(cè)量相電流和使用簡(jiǎn)單的分壓器測(cè)量相電壓來(lái)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(cè)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(lái)自電源線，但安全隔離柵會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電源域。圖1中的PS1與相位位于同一域中，無(wú)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(cè)

AFE 和 MCU 之間（隔離 1）或 MCU 和通信模塊之間（隔離 2）

必須通過(guò)隔離柵1和2的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多技術(shù)來(lái)隔離數(shù)字信號(hào)。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(jí)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(shì)。芯片級(jí)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(shì)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(jí)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。考慮上例中的零線電流檢測(cè)。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(shì)。它們更便宜，不受外部交流或直流磁場(chǎng)的影響，并且與用于檢測(cè)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(wèn)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(jí)變壓器的IC

這種新結(jié)構(gòu)使用AFE1測(cè)量從線路電流派生的電量，使用AFE2測(cè)量從零線電流派生的電量。兩種電流均使用不受外部磁場(chǎng)影響的分流器進(jìn)行測(cè)量，從而消除了篡改問(wèn)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(guò)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(shì)顯而易見(jiàn)。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(zhuān)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(cè)量。電源使用所有三相來(lái)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(lèi)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(guò)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(jí)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(jí)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(shì)，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└叩男阅堋⒏子谑褂们腋煽俊?/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(guò)電阻分流器檢測(cè)，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