單相防竊電智能電表

 

考慮圖1所示的單相防竊電智能電表。模擬前端(AFE) ICliyongfenliudianzuceliangxiangweidianliu，bingliyongyigejiandandefenyaqiceliangxiangweidianya

，congerjisuandiannengbingjiankongfuzaidezhiliang。zaizhezhongyingyongzhong，dianlixianxiangweidianyayongzuoAFE的接地參考。零線電流測量必須隔離，從而保護AFE免受高壓影響。AFE利用標準SPI或I2C通信將計算得到的電氣量傳輸給微控製器(MCU)。然後
，MCU將數據發送到通信模塊，通常使用UART接口，必須確保安全隔離並避免接地環路。因此
，MCU必須與AFE隔離
，與通信模塊共地（隔離1）
，或者與通信模塊隔離
，與AFE共地（隔離2）。

 

圖1. 單相防竊電智能電表

 

電表電源從電力線獲得，但安全隔離柵會產生兩個電源域。圖1中的PS1與相電源是同一電源域，可以直接使用而無需隔離AFE。然而，安全隔離柵1或2則需要使用隔離電源PS2來為MCU和通信模塊（隔離1）提供電源，或者僅為通信模塊（隔離2）供電。

 

總而言之，單相防竊電電表中有多個點需要隔離：

 

●   零線電流檢測

●   AFE與MCU（隔離1）之間或MCU與通信模塊之間（隔離2）

 

必須通過隔離柵1和2的信號是數字信號。為了隔離數字信號，已經開發出許多技術。傳統方法使用帶LED和光電二極管的光耦合器，較新的技術則是使用芯片級變壓器的數字隔離器。例如，與光耦合器相比，iCoupler®數字隔離器具有許多優勢，包括：更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快
、時序精度更佳、易於使用。芯片級隔離技術也可以與其他半導體電路結合，實現小尺寸
、高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。在(zai)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)較(jiao)高(gao)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)，這(zhe)些(xie)優(you)勢(shi)尤(you)其(qi)顯(xian)著(zhu)。智(zhi)能(neng)電(dian)能(neng)計(ji)量(liang)就(jiu)是(shi)這(zhe)樣(yang)一(yi)種(zhong)應(ying)用(yong)，目(mu)前(qian)新(xin)式(shi)電(dian)表(biao)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)的(de)實(shi)時(shi)信(xin)息(xi)流(liu)量(liang)。

 

芯片級變壓器也可以用在隔離式DC-DC轉換器中，從而將數據和電源隔離集成到單個封裝中。iCoupler 產品就有這種能力
，isoPower® 隔離式DC-DC轉(zhuan)換(huan)器(qi)可(ke)集(ji)成(cheng)到(dao)隔(ge)離(li)式(shi)數(shu)據(ju)通(tong)道(dao)所(suo)在(zai)的(de)同(tong)一(yi)薄(bo)型(xing)表(biao)貼(tie)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)。考(kao)慮(lv)上(shang)例(li)中(zhong)的(de)零(ling)線(xian)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)。傳(chuan)統(tong)上(shang)使(shi)用(yong)電(dian)流(liu)互(hu)感(gan)器(qi)，因(yin)為(wei)它(ta)本(ben)身(shen)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)隔(ge)離(li)
，但(dan)電(dian)流(liu)互(hu)感(gan)器(qi)必(bi)須(xu)為(wei)直(zhi)流(liu)兼(jian)容(rong)型(xing)以(yi)免(mian)飽(bao)和(he)
，這(zhe)會(hui)提(ti)高(gao)其(qi)成(cheng)本(ben)。此(ci)外(wai)
，它(ta)還(hai)會(hui)引(yin)入(ru)相(xiang)位(wei)延(yan)遲(chi)，相(xiang)位(wei)延(yan)遲(chi)隨(sui)頻(pin)率(lv)成(cheng)分(fen)不(bu)同(tong)而(er)異(yi)，因(yin)此(ci)難(nan)以(yi)在(zai)整(zheng)個(ge)頻(pin)譜(pu)範(fan)圍(wei)內(nei)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)。分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)優(you)勢(shi)。不(bu)僅(jin)價(jia)格(ge)低(di)廉(lian)，不(bu)受(shou)外(wai)部(bu)交(jiao)流(liu)或(huo)直(zhi)流(liu)磁(ci)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)，而(er)且(qie)與(yu)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)相(xiang)電(dian)流(liu)的(de)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)具(ju)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)特(te)性(xing)。然(ran)而(er)，分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)本(ben)身(shen)不(bu)具(ju)隔(ge)離(li)性(xing)。使(shi)用(yong)集(ji)成(cheng)DC-DC轉換器和隔離數據通道的數字隔離器可以解決這一問題。這樣就產生一種新的單相防竊電智能電表結構（圖2）。

 

圖2. IC內置芯片級變壓器的單相防竊電智能電表

 

新結構利用AFE1測量從線路電流獲得的電氣量，利用AFE2測量從零線電流獲得的電氣量。兩個電流均利用不受外部磁場影響的分流電阻測量
，從而消除竊電之憂。AFE2利用一個IC接收功率，該IC包含一個基於數字隔離器的隔離電源。它利用嵌入同一IC並采用相同技術的隔離數據通道與MCU通信。

 

可以將同樣的方法（IC同時包含隔離電源和隔離數據通道）應用於通信模塊，因為它也需要一個隔離電源並通過隔離柵進行數據通信。

 

與大型
、昂貴、難以通過認證的隔離電源相比，這種方法的優勢顯而易見。數字隔離技術造就了業界最小的UL認證DC-DC轉換器
，這些IC具有很高的熱穩定性和機械穩定性、出色的耐化學腐蝕性以及良好的ESD性能。設計工程師現在可以集中精力改善係統設計
，而無需擔心隔離問題。

 

三相智能電表

 

對於三相智能電表（圖3），可以采用同樣的方法。在傳統的四線係統中，零線被選作電表AFE的接地參考。相電流利用電流互感器測量。電源利用所有三相創建兩個電源域：一個為AFE供電，一個為通信模塊供電，電源必須進行隔離以保證安全。MCU可以置於任一電源域中
，因此AFE與MCU之間（隔離1）或MCU與通信模塊之間（隔離2）都存在一個隔離柵。

 

圖3. 三相智能電表

 

類lei似si於yu單dan相xiang防fang竊qie電dian電dian表biao所suo采cai用yong的de方fang法fa
，利li用yong數shu字zi隔ge離li技ji術shu，可ke以yi將jiang電dian流liu傳chuan感gan器qi替ti換huan為wei使shi用yong分fen流liu電dian阻zu的de隔ge離li模mo塊kuai，通tong信xin模mo塊kuai可ke以yi利li用yong包bao含han隔ge離li電dian源yuan和he數shu據ju通tong道dao（可通過隔離柵通信）的IC供電並與MCU通信（圖4）。

 

圖4. IC內置芯片級變壓器的三相智能電表

 

結束語

 

fenliudianzuhexinpianjishuzigeliqiwanquankeyiqudaizhiliujianrongxingdianliuhuganqi，tongshishixianshujugelihedianyuangeli。shuzigeliqiyouyuchuantongdeguangouheqi，bingqiezhichiduozhongchuanxingtongxin：SPI、I2C或UART。數字隔離器性能更高、更易使用

、更加可靠，堪稱光耦合器的真正替代產品。

 

數字隔離器使智能電表的係統架構發生如下變化：

 

相電流和零線電流可以利用分流電阻檢測，從而 •消除通過磁場幹擾竊電的風險
，以及處理電流互感器相位延遲的難題。

使用UL認證的IC，單相和三相電表均可以使用 •單一主電源。特別是在三相電表中
，這可以顯著縮小電源尺寸，使電表外殼尺寸更小。

 

 

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