CMOS數(shù)字隔離器在智能電表中的應用

未來幾年由于消費者對傳統(tǒng)機電式電表的更新?lián)Q代，智能電表市場預計將以每年兩位數(shù)的速度增長。智能電表使用最新的集成電路(IC)技術(shù)進行精確測量并報告消耗的電量，智能電表比機電式電表復雜，但更加注重測量數(shù)據(jù)的完整性，這會直接影響公共事業(yè)供應商的結(jié)算收入。在智能電表設計中確保數(shù)據(jù)完整性的最有效的解決辦法之一就是使用最先進的數(shù)字隔離技術(shù)。

　　智能電表使用電流隔離來保護內(nèi)部低壓集成電路，也使工作人員避免暴露在高壓電線下。在有線計量應用中，比如高密度部署的住宅區(qū)，隔離器也可用于隔離控制器和數(shù)字數(shù)據(jù)總線，如圖1所示。

　　圖1 具有數(shù)字通信總線的智能電表

　　其他子系統(tǒng)，特別是那些暴露于高電壓下的部分，也必須進行隔離電路。例如，需要在智能電表控制器IC和電源線通信(PLC)調(diào)制解調(diào)器之間進行電流隔離。這些系統(tǒng)中信號隔離可以采用多種方式實現(xiàn)。

　　光耦合器常用于智能電表中的信號隔離，但它們的使用面臨著設計挑戰(zhàn)，其主要缺點是受到光耦合器的共模瞬變免疫能力(CMTI)的限制。 CMTI是一個隔離能力的度量，代表在隔離柵輸入和輸出兩側(cè)抑制快速瞬態(tài)噪聲信號的能力。由于光隔離器的物理結(jié)構(gòu)所致，它們往往有較高的寄生輸入輸出電容(一般在皮法量級)。高的內(nèi)部寄生耦合電容導致CMTI性能變差(參見圖2)。

　　圖2 共模瞬變影響光耦合器信號，造成數(shù)據(jù)錯誤

　　光耦合器供應商通常建議客戶，在光耦合器打開時需要過量驅(qū)動光耦合器LED燈來提高抗噪聲能力，反之在光耦合器關(guān)閉時要反向偏置LED燈。這些措施增加了光耦合器的CMTI，但同時也降低了器件壽命，影響了系統(tǒng)可靠性，增加了維護成本。

　　智能電表應用中所使用的另一種隔離解決方案是隔離變壓器，但變壓器一般應避免使用，因為它們?nèi)菀资艿诫姶鸥蓴_(EMI)而破壞數(shù)據(jù)。脈沖變壓器也不理想，因為其需要占用較寬帶寬，而帶寬對于數(shù)字信號傳輸是極為重要的。

　　有兩大原因使得電磁場(EM)抑制力成為電表設計主要關(guān)注對象。首先，電表被安裝到電磁噪聲復雜的地點的概率較高。其次，一些隔離技術(shù)可能是電表系統(tǒng)應用中最薄弱的環(huán)節(jié)。例如，應用一個外部磁場到基于變壓器的系統(tǒng)將對數(shù)據(jù)的完整性產(chǎn)生不良影響，事實上也出現(xiàn)過客戶通過施加強磁鐵或線圈到儀器而中斷了電表正常工作的案例。在這兩種情況下，外部磁場或電磁場噪聲將導致錯誤測量數(shù)據(jù)提交到控制器。

　　現(xiàn)代CMOS數(shù)字隔離器克服了智能電表應用中的這些問題。與光耦合器相比，基于CMOS的數(shù)字隔離器提供相當高的CMTI性能，同時保證了更長的工作壽命和高可靠性。例如，Silicon Labs公司的Si84xx CMOS數(shù)字隔離器系列滿足通用CMTI規(guī)格25kV/µs，新一代隔離元器件預計將比現(xiàn)有產(chǎn)品的性能水平提高兩倍。

　　就電磁場性能而言，CMOS數(shù)字隔離器大大優(yōu)于其他隔離技術(shù)。例如，Si84xx隔離器具有市場在售的數(shù)字隔離元器件中最高的EMI耐受性(>300V/m電場抗擾度，和>1000A/m磁場抗擾度)。這些數(shù)字隔離器通過使用差分信號在隔離柵中進行數(shù)據(jù)傳輸，成對的窄通帶濾波提供了極佳的共模噪聲抑制能力，如圖3所示。

　　圖3 差分信號和窄帶數(shù)字接收機抑制數(shù)字隔離器中的共模噪聲

　　此外，基于CMOS的隔離元器件實現(xiàn)了尺寸最小化，有助于防止隔離器成為雜散磁場的天線，而避免使用變壓器是為了讓系統(tǒng)保持高水平的磁場免疫能力。

　　隨著智能電表在構(gòu)建全球智能電網(wǎng)市場中變得越來越流行，電表的安裝環(huán)境有時不易因地制宜，這增加了測量數(shù)據(jù)被破壞的可能性。電表中的任何元器件都會受到電噪聲或電磁場的影響而可能成為整個系統(tǒng)完整性中的薄弱環(huán)節(jié)。這些元器件有可能破壞智能電表控制器的數(shù)據(jù)，并最終使得計費信息無效。

　　盡管光耦合器和變壓器隔離技術(shù)已經(jīng)很普及，但這些解決方案有明顯的弱點，在電表應用中應引起關(guān)注。CMOS數(shù)字隔離器提供了最優(yōu)的解決方案以及優(yōu)良的電噪聲和外部磁場抑制力。在智能電表中采用CMOS數(shù)字隔離器能確保電力測量數(shù)據(jù)通過隔離柵準確地到達系統(tǒng)控制器。