CMOS数字隔离器为智能电表中的应用

未来几年由于消费者对传统机电式电表的更新换代，智能电表市场预计将以每年两位数的速度增长。智能电表使用最新的集成电路(IC)技术进行精确测量并报告消耗的电量，智能电表比机电式电表复杂，但更加注重测量数据的完整性，这会直接影响公共事业供应商的结算收入。在智能电表设计中确保数据完整性的最有效的解决办法之一就是使用最先进的数字隔离技术。

　　智能电表使用电流隔离来保护内部低压集成电路，也使工作人员避免暴露在高压电线下。在有线计量应用中，比如高密度部署的住宅区，隔离器也可用于隔离控制器和数字数据总线，如图1所示。

　　

 

　　图1 具有数字通信总线的智能电表

　　其他子系统，特别是那些暴露于高电压下的部分，也必须进行隔离电路。例如，需要在智能电表控制器IC和电源线通信(PLC)调制解调器之间进行电流隔离。这些系统中信号隔离可以采用多种方式实现。

　　光耦合器常用于智能电表中的信号隔离，但它们的使用面临着设计挑战，其主要缺点是受到光耦合器的共模瞬变免疫能力(CMTI)的限制。 CMTI是一个隔离能力的度量，代表在隔离栅输入和输出两侧抑制快速瞬态噪声信号的能力。由于光隔离器的物理结构所致，它们往往有较高的寄生输入输出电容(一般在皮法量级)。高的内部寄生耦合电容导致CMTI性能变差(参见图2)。

　　

 

　　图2 共模瞬变影响光耦合器信号，造成数据错误

　　光耦合器供应商通常建议客户，在光耦合器打开时需要过量驱动光耦合器LED灯来提高抗噪声能力，反之在光耦合器关闭时要反向偏置LED灯。这些措施增加了光耦合器的CMTI，但同时也降低了器件寿命，影响了系统可靠性，增加了维护成本。

　　智能电表应用中所使用的另一种隔离解决方案是隔离变压器，但变压器一般应避免使用，因为它们容易受到电磁干扰(EMI)而破坏数据。脉冲变压器也不理想，因为其需要占用较宽带宽，而带宽对于数字信号传输是极为重要的。

　　有两大原因使得电磁场(EM)抑制力成为电表设计主要关注对象。首先，电表被安装到电磁噪声复杂的地点的概率较高。其次，一些隔离技术可能是电表系统应用中最薄弱的环节。例如，应用一个外部磁场到基于变压器的系统将对数据的完整性产生不良影响，事实上也出现过客户通过施加强磁铁或线圈到仪器而中断了电表正常工作的案例。在这两种情况下，外部磁场或电磁场噪声将导致错误测量数据提交到控制器。

　　现代CMOS数字隔离器克服了智能电表应用中的这些问题。与光耦合器相比，基于CMOS的数字隔离器提供相当高的CMTI性能，同时保证了更长的工作寿命和高可靠性。例如，Silicon Labs公司的Si84xx CMOS数字隔离器系列满足通用CMTI规格25kV/µs，新一代隔离元器件预计将比现有产品的性能水平提高两倍。

　　就电磁场性能而言，CMOS数字隔离器大大优于其他隔离技术。例如，Si84xx隔离器具有市场在售的数字隔离元器件中最高的EMI耐受性(>300V/m电场抗扰度，和>1000A/m磁场抗扰度)。这些数字隔离器通过使用差分信号在隔离栅中进行数据传输，成对的窄通带滤波提供了极佳的共模噪声抑制能力，如图3所示。

　　

 

　　图3 差分信号和窄带数字接收机抑制数字隔离器中的共模噪声

　　此外，基于CMOS的隔离元器件实现了尺寸最小化，有助于防止隔离器成为杂散磁场的天线，而避免使用变压器是为了让系统保持高水平的磁场免疫能力。

　　随着智能电表在构建全球智能电网市场中变得越来越流行，电表的安装环境有时不易因地制宜，这增加了测量数据被破坏的可能性。电表中的任何元器件都会受到电噪声或电磁场的影响而可能成为整个系统完整性中的薄弱环节。这些元器件有可能破坏智能电表控制器的数据，并最终使得计费信息无效。

　　尽管光耦合器和变压器隔离技术已经很普及，但这些解决方案有明显的弱点，在电表应用中应引起关注。CMOS数字隔离器提供了最优的解决方案以及优良的电噪声和外部磁场抑制力。在智能电表中采用CMOS数字隔离器能确保电力测量数据通过隔离栅准确地到达系统控制器。