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li用yong分fen流liu電dian阻zu測ce量liang相xiang位wei電dian流liu

，並bing利li用yong一yi個ge簡jian單dan的de分fen壓ya器qi測ce量liang相xiang位wei電dian壓ya，從cong而er計ji算suan電dian能neng並bing監jian控kong負fu載zai的de質zhi量liang。在zai這zhe種zhong應ying用yong中zhong，電dian力li線xian相xiang位wei電dian壓ya用yong作zuoAFE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chengDC-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

 

leisiyudanxiangfangqiediandianbiaosuocaiyongdefangfa，liyongshuzigelijishu，keyijiangdianliuchuanganqitihuanweishiyongfenliudianzudegelimokuai

，tongxinmokuaikeyiliyongbaohangelidianyuanheshujutongdao（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

 

分fen流liu電dian阻zu和he芯xin片pian級ji數shu字zi隔ge離li器qi完wan全quan可ke以yi取qu代dai直zhi流liu兼jian容rong型xing電dian流liu互hu感gan器qi，同tong時shi實shi現xian數shu據ju隔ge離li和he電dian源yuan隔ge離li。數shu字zi隔ge離li器qi優you於yu傳chuan統tong的de光guang耦ou合he器qi，並bing且qie支zhi持chi多duo種zhong串chuan行xing通tong信xin：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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