單相防竊電智能電表設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 單相防竊電智能電表設(shè)計(jì) 兼容直流的電流互感器一直用于檢測智能電表中的交流電流，但它有一些缺點(diǎn)，而且很昂貴。對(duì)于某些應(yīng)用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因?yàn)樗鼉r(jià)格低廉、具有高線性度并且抗磁場干擾。遺憾的是，分流電阻不具有電流互感器所固有的電氣隔離特性。在要求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結(jié)合可提供一種良好的解決方案。 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)IC 利用分流電阻測量相位電流，并利用一個(gè)簡單的分壓器測量相位電壓，從而計(jì)算電能并監(jiān)控負(fù)載的質(zhì)量。在這種應(yīng)用中，電力線相位電壓用作 AFE

2、 的接地參考。零線電流測量必須隔離，從而保護(hù) AFE 免受高壓影響。AFE 利用標(biāo)準(zhǔn) SPI 或 I2C 通信將計(jì)算得到的電氣量傳輸給微控制器 (MCU)。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防止接地環(huán)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）。 電表電源從電力線獲得，但安全隔離柵會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)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

3、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(gè)點(diǎn)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(hào)是數(shù)字信號(hào)。為了隔離數(shù)字信號(hào)，已經(jīng)開發(fā)出許多技術(shù)。傳統(tǒng)方法使用帶 LED 和光電二極管的光耦合器，較新的技術(shù)則是使用芯片級(jí)變壓器的數(shù)字隔離器。例如，與光耦合器相比，iCoupler?數(shù)字隔離器具有許多優(yōu)勢，包括 ：更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時(shí)序jing度更佳、易于使用。芯片級(jí)隔離技術(shù)也可以與其他半導(dǎo)體電路結(jié)合，實(shí)現(xiàn)小尺寸、高集成度解決方案。在數(shù)據(jù)速率較高的應(yīng)用中，這些優(yōu)勢尤其顯著。智

4、能電能計(jì)量就是這樣一種應(yīng)用，目前新式電表需要更高的實(shí)時(shí)信息流量。 芯片級(jí)變壓器也可以用在隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，從而將數(shù)據(jù)和電源隔離集成到單個(gè)封裝中。iCoupler 產(chǎn)品就有這種能力，isoPower? 隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可集成到隔離式數(shù)據(jù)通道所在的同一薄型表貼封裝中?？紤]上例中的零線電流檢測。傳統(tǒng)上使用電流互感器，因?yàn)樗旧砟軌蛱峁└綦x，但電流互感器必須為直流兼容型以免飽和，這會(huì)提高其成本。此外，它還會(huì)引入相位延遲，相位延遲隨頻率成分不同而異，因此難以在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)開展補(bǔ)償。分流電阻具有明顯的優(yōu)勢。不僅價(jià)格低廉，不受外部交流或直流磁場的影響，而且與用于檢測相電流的分流電阻具

5、有相同的特性。然而，分流電阻本身不具隔離性。使用集成 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和隔離數(shù)據(jù)通道的數(shù)字隔離器可以解決這一問題。這樣就產(chǎn)生一種新的單相防竊電智能電表構(gòu)造（圖 2）。 IC 內(nèi)置芯片級(jí)變壓器的單相防竊電智能電表圖2. IC 內(nèi)置芯片級(jí)變壓器的單相防竊電智能電表 新構(gòu)造利用 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(gè)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(gè) IC 接收功率，該 IC 包含一個(gè)基于數(shù)字隔離器的隔離電源。它利用嵌入同一 IC 并采用相同技術(shù)的隔離數(shù)據(jù)通道與 MCU 通信。 可以將同樣的方法（IC 同時(shí)包

6、含隔離電源和隔離數(shù)據(jù)通道）應(yīng)用于通信模塊，因?yàn)樗残枰粋€(gè)隔離電源并通過隔離柵開展數(shù)據(jù)通信。 與大型、昂貴、難以通過認(rèn)可的隔離電源相比，這種方法的優(yōu)勢顯而易見。數(shù)字隔離技術(shù)造就了業(yè)界很小的UL 認(rèn)可 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，這些 IC 具有很高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性、出色的耐化學(xué)腐蝕性以及良好的 ESD 性能。設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在可以集中精力改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而無需擔(dān)心隔離問題。 三相智能電表圖 3. 三相智能電表 三相智能電表 對(duì)于三相智能電表（圖 3），可以采用同樣的方法。在傳統(tǒng)的四線系統(tǒng)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(chuàng)立兩個(gè)電源域 ：一個(gè)為 AFE

7、供電，一個(gè)為通信模塊供電，電源必須開展隔離以保證安全。MCU 可以置于任一電源域中，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(gè)隔離柵。 類似于單相防竊電電表所采用的方法，利用數(shù)字隔離技術(shù)，可以將電流傳感器替換為使用分流電阻的隔離模塊，通信模塊可以利用包含隔離電源和數(shù)據(jù)通道（可通過隔離柵通信）的 IC 供電并與 MCU 通信（圖 4）。 IC 內(nèi)置芯片級(jí)變壓器的三相智能電表圖 4. IC 內(nèi)置芯片級(jí)變壓器的三相智能電表 結(jié)束語 分流電阻和芯片級(jí)數(shù)字隔離器完全可以取代直流兼容型電流互感器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離和電源隔離。數(shù)字隔離器優(yōu)于傳統(tǒng)的光耦合器，并且支持多種串行通信 ：SPI、I2C 或 UART。數(shù)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(chǎn)品。 數(shù)字隔離器使智能電表的系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)生如下變化 ： 相電流