智能电能计量应用数字隔离器

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）。

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）。

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。

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。

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）。

图4. IC内置芯片级变压器的三相智能电表

结束语

分流电阻和芯片级数字隔离器完全可以取代直流兼容型电流互感器，同时实现数据隔离和电源隔离。数字隔离器优于传统的光耦合器，并且支持多种串行通信：SPI、I2C或UART。数字隔离器性能更高、更易使用、更加可靠，堪称光耦合器的真正替代产品。

数字隔离器使智能电表的系统架构发生如下变化：

相电流和零线电流可以利用分流电阻检测，从而 •消除通过磁场干扰窃电的风险，以及处理电流互感器相位延迟的难题。

使用UL认证的IC，单相和三相电表均可以使用 •单一主电源。特别是在三相电表中，这可以显著缩小电源尺寸，使电表外壳尺寸更小。