创新隔离技术改变三相电表设计

摘要：  各相之间的电气隔离：顾名思义，三相电表系统由三相组成，每一相代表一个独立的电压和电流源。在三相电表中，每相的电能测量通常合并为一个结果，这要求各相之间进行电能信息交换。因此，各相之间需要进行电气隔离。

关键字：  电表，  ADI，  字隔离，  RS-485

作为电表制造商和电力公司的首选IC解决方案提供商，ADI公司至今已向市场推出17种产品，并有超过2.25亿片电能计量IC被应用于世界各地。ADI公司还拥有超过一万种的其它创新和高性能技术产品，其中一些适用于电能计量应用，例如：ISM RF收发器、高速数字隔离器、基准电压源、温度传感器和RS-485驱动器等。如此全面广泛的技术使ADI公司能够出色地应对最新的低成本三相电表市场的需求。

现有解决方案的挑战

三相电表通常要求高性能。虽然低成本三相电表的发展趋势同时要求简化性能规格，但一些基本电气要求和电力公司的规范却对其成本有着重大影响。

各相之间的电气隔离：顾名思义，三相电表系统由三相组成，每一相代表一个独立的电压和电流源。在三相电表中，每相的电能测量通常合并为一个结果，这要求各相之间进行电能信息交换。因此，各相之间需要进行电气隔离。

兼容直流电流：该要求源于IEC62053-21标准和MID CENELEC欧洲标准的半波整流波形测试，它对于支持电气设备中大量使用简单的半波整流器至关重要。这样就需要使用可兼容直流电流的感测技术。

电压输入与电流输入之间的隔离：电表制造商和电力公司更乐意使用简单的测试设备来进行三相校准和验证，这种非标准要求需要在电压与电流之间提供隔离。

以上限制条件使得业界对于三相电表设计形成了如下共识：利用电流传感器隔离各相，并实现信号处理和数据管理与电力线的隔离(图1)。有四类技术可实现电流感测隔离：电流变压器(CT)、罗氏线圈、霍尔效应和变压器分流。不过，由于存在专利保护，电流变压器是在开放的市场器件中唯一能够利经济有效地实现的解决方案，这导致许多新兴电表制造商广泛采用兼容直流的电流变压器。ADI公司拥有丰富的三相模拟前端(AFE)产品组合，支持仅功率测量以及四象限电能测量。这些解决方案能够满足电能测量与隔离电流传感器连接的三相电表市场需求。

遗憾的是，由于技术非常独特，兼容直流的CT价格高昂，因此它并非实现低成本系统的灵丹妙药。总之，由于电流感测解决方案缺乏竞争，电流传感器技术的优势和弊端也就无从谈起。

替代方案

一种可选的方案是将ADI公司的单相AFE和片上系统(SOC)与高速数字隔离技术iCoupler和低阻值分流电阻相结合，来实现一种新型系统解决方案，从而为电表设计人员提供一种采用全新技术的系统架构选择(图2)。

1.分流电阻

分流电阻可解决许多电流感测问题，但同时也存在一些局限性。其优点是成本低、易于获得、兼容直流、宽线性范围、宽频率范围和无需相位校准。局限性包括：最大电流小于100A，满量程信号电平只有数十毫伏(mV)，要求隔离，以及需要以线路电压为中心的双极性输入。

2.电能计量IC

虽然分流传感器的限制很少，但ADI公司的AFE和SoC能够以独特方式解决低信号电平和双极性输入的难题：内部模拟增益较大，可以与最低200μ?的分流电阻连接;已获专利的模拟输入结构支持在单极性IC接受双极性输入;精度高于1类标准;同类最佳可靠性;高品质、易于生产。

此外，电表设计工程师可以根据电能测量要求(仅功率、功率加均方根值或四象限)选择合适的AFE与广受业界青睐的ADE7569 SoC配合使用。ADE7569属于ADE75xx系列产品，它具有如下功能特性：带高精度基准电压源的高精度电能测量引擎、具有低功耗休眠模式和内部电池切换功能的电源管理、低电流实时时钟、电平可调的LCD驱动器，以及带嵌入式闪存和RAM的8位单周期8052微控制器内核。

3.数字隔离IC

电能计量AFE与SoC之间的数字隔离可以利用针对仅功率脉冲输出AFE的标准光耦合器实现。但是，随着三相电表变得越来越复杂，AFE需要提供的信息也越来越多，例如：均方根值、无功功率、视在功率或THD测量的瞬时波形等。为了从AFE收集这些信息，AFE与SoC的通信速度需要大幅提高。因此，从性能和成本的角度来看，光耦合器技术难以胜任。不过，ADI公司的iCoupler技术可解决这一问题，并允许电表制造商使用这种基于分流电阻的架构。ADuM2401系列产品给4个数字通道提供5kV的隔离(每个UL1577测试)，可以用于SPI接口。

此外，ADuM5242等器件提供的IsoPower技术集隔离式DC/DC电源与数字通道隔离于一体，不仅能够隔离AFE串行接口，而且还能够提供AFE电源，因此图2中的电源2可以去掉。

本文小结

利用电能计量AFE、SoC和数据隔离技术的结合，ADI公司提出了一种创新解决方案来解决低成本、多功能三相电子电表的设计难题。这种方案不仅符合与隔离相关的标准和要求，而且允许AFE与SoC之间传输更多的信息，分流传感器本身的优势也得以充分发挥。

虽然许多人认为电能计量是一个低成本市场，没有什么空间可供创新和开发高附加值解决方案，但ADI公司正不断挑战这一观念。2007年，ADI公司推出了集成电池切换和电源管理功能的ADE7569，解决了电池供电问题。ADE7569的创新系统架构使一些关键功能(包括温度测量、计时、LCD显示和UART)在电池供电模式下仍然有效，而功耗则非常低。同时推向市场的ADuM5242采用了突破性隔离技术，集成了高速数字数据隔离和隔离电源。这款产品用创新解决方案来解决电表制造商的最关键设计问题，进一步增强了ADI公司的三相电表系统解决方案。