利用CMOS數(shù)字隔離器提高智能計(jì)量解決方案的數(shù)據(jù)完整性和可靠性

介紹

隨著消費(fèi)者從傳統(tǒng)的機(jī)電電表升級(jí)到聯(lián)網(wǎng)的智能電表，自動(dòng)讀表（AMR）市場(chǎng)預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年將以兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)。當(dāng)今先進(jìn)的智能電表使用最新的集成電路（IC）技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量和報(bào)告所消耗的耗電量。雖然智能電表比機(jī)電電表更復(fù)雜，但智能電表設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題是測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性，這可能直接影響公用事業(yè)供應(yīng)商的賬單收入。系統(tǒng)可靠性是另一個(gè)主要問(wèn)題，因?yàn)榭煽啃圆顣?huì)通過(guò)增加維修和更換成本對(duì)公用事業(yè)供應(yīng)商產(chǎn)生負(fù)面影響。在智能電表設(shè)計(jì)中，確保數(shù)據(jù)完整性和長(zhǎng)期系統(tǒng)可靠性的最有效的解決方案是使用最先進(jìn)的數(shù)字隔離技術(shù)。

智能電表使用電流隔離來(lái)保護(hù)內(nèi)部低壓集成電路，以及公用事業(yè)服務(wù)人員免受暴露于高壓電源的傳感器的影響。在有線計(jì)量應(yīng)用程序中，如那些部署在高密度住宅綜合體中的應(yīng)用程序中，也可以在控制器和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線之間使用隔離，如圖1所示。

圖1。帶有數(shù)字通信總線的智能功率表

其他的子系統(tǒng)，特別是那些暴露于高壓下的子系統(tǒng)，也必須包含隔離電路。例如，在內(nèi)部智能電表控制器IC和電力線通信（PLC）調(diào)制解調(diào)器之間需要進(jìn)行電流隔離。這些系統(tǒng)中的信號(hào)隔離可以通過(guò)多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

光耦合器經(jīng)常用于智能電表的信號(hào)隔離，但它們的使用在設(shè)計(jì)上存在挑戰(zhàn)。特別是，光耦合器不能長(zhǎng)期提供可靠的隔離解決方案。由于使用的介電材料，這些器件的性能水平會(huì)隨時(shí)間而變化硅實(shí)驗(yàn)室公司。Rev 1.0 2用于隔離和LED用作內(nèi)部信號(hào)****。隔離屏障的清晰度會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，并受到溫度和濕度等各種環(huán)境因素的影響。此外，所有l(wèi)ed的信號(hào)強(qiáng)度都隨著時(shí)間的推移而降低。這兩個(gè)因素限制了基于光電耦合器的智能電表能夠可靠地繼續(xù)使用的時(shí)間長(zhǎng)度。

光耦合器的另一個(gè)顯著缺點(diǎn)是其有限的共模瞬態(tài)免疫（CMTI）。CMTI是隔離器拒絕隔離屏障輸入和輸出側(cè)之間的快速瞬態(tài)噪聲信號(hào)的能力的度量。由于其物理結(jié)構(gòu)，光耦合器往往具有較高的寄生輸入輸出電容（通常在皮光片）。較高的內(nèi)部寄生耦合電容導(dǎo)致較差的CMTI性能（見圖2）。

圖2。共模瞬態(tài)會(huì)影響光耦合器的信號(hào)，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

光耦合器供應(yīng)商經(jīng)常建議超速驅(qū)動(dòng)光耦合器的LED以提高噪聲免疫力，并在關(guān)閉時(shí)反向偏置LED以增加免疫力。這些作用增加了光耦器CMTI，但進(jìn)一步降低了器件壽命。系統(tǒng)的可靠性受到負(fù)面影響，維護(hù)成本增加。

另一種應(yīng)用于智能功率表的隔離解決方案涉及到使用隔離變壓器。然而，變壓器通常避免，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀资軘?shù)據(jù)腐蝕電磁干擾（EMI）。脈沖變壓器增加了這種擔(dān)憂，因?yàn)樗鼈児逃械母鼘挼膸?，這是忠實(shí)地傳輸數(shù)字信號(hào)所必需的。

電磁（EM）免疫力是功率表設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要問(wèn)題，原因有兩個(gè)原因。首先，儀表很有可能安裝在電磁噪聲的位置。

其次，一些隔離技術(shù)可能是儀表系統(tǒng)中最薄弱的點(diǎn)。例如，將外部電場(chǎng)應(yīng)用于基于變壓器的系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的完整性產(chǎn)生負(fù)面影響。事實(shí)上，也有一些案例表明，公用事業(yè)客戶通過(guò)在設(shè)備上附加強(qiáng)磁鐵或線圈而禁用電能表。在任何一種情況下，外部磁場(chǎng)或電磁噪聲都會(huì)給控制器提供錯(cuò)誤的測(cè)量數(shù)據(jù)。

現(xiàn)代CMOS數(shù)字隔離器解決了智能電表應(yīng)用中的這些問(wèn)題。與光耦合器相比，基于cmos的數(shù)字隔離器提供了顯著的更高的CMTI性能，同時(shí)保持了更高的工作壽命和更高的可靠性。例如，硅實(shí)驗(yàn)室的Si86xx系列CMOS數(shù)字隔離器具有典型的CMTI規(guī)格為60kV/μs，下一代隔離設(shè)備預(yù)計(jì)將使這一性能水平提高一倍。

CMOS數(shù)字隔離器在電磁性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他隔離技術(shù)。例如，Si86xx隔離器在所有商用數(shù)字隔離設(shè)備中具有最高的電磁干擾容限（>300 V/m電場(chǎng)抗擾力和>1000 A/m磁場(chǎng)抗擾力）。這些數(shù)字隔離器通過(guò)使用差分信號(hào)路徑通過(guò)隔離屏障傳輸數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種性能。與窄通帶濾波相結(jié)合，這提供了優(yōu)越的共模噪聲抑制，如圖3所示。

圖3。差分信號(hào)和窄帶接收機(jī)拒絕共模噪聲

優(yōu)越的電磁干擾和CMTI性能源于基于cmos的隔離器實(shí)現(xiàn)最大限度化設(shè)備特征大小。最小的電容器尺寸減少了有意的和寄生的電容通過(guò)隔離屏障。這提高了CMTI的性能，超過(guò)了具有高電容的解決方案。較小的特征尺寸也有助于防止隔離器作為雜散場(chǎng)的天線。除了在設(shè)計(jì)中避免使用變壓器，這一特性使系統(tǒng)能夠保持高水平的電磁抗擾力。

CMOS數(shù)字隔離器的長(zhǎng)期可靠性和功能壽命明顯優(yōu)于其他傳統(tǒng)的隔離解決方案。用于數(shù)字隔離器中的電介質(zhì)材料通常是一種高度穩(wěn)定的二氧化硅（二氧化硅）層，作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS處理步驟生產(chǎn)。二氧化硅不會(huì)因環(huán)境影響而降解，也不會(huì)顯示其固有性質(zhì)隨時(shí)間的變化。內(nèi)部的信號(hào)源完全是電性的，也不會(huì)隨時(shí)間的推移而改變特性。CMOS數(shù)字隔離器，在最壞的高溫和恒定的隔離屏障電壓條件下，預(yù)計(jì)將在60年內(nèi)可靠地運(yùn)行。事實(shí)上，CMOS數(shù)字隔離器應(yīng)該能超過(guò)系統(tǒng)的可用壽命，并降低維修和更換成本。

隨著全球智能電網(wǎng)的發(fā)展，智能計(jì)量在市場(chǎng)上變得越來(lái)越普遍，電表安裝人員對(duì)電表所在環(huán)境的區(qū)分將會(huì)減少，這就增加了測(cè)量數(shù)據(jù)損壞的可能性。中使用的任何計(jì)量組件

可能受到電噪聲或電磁場(chǎng)不利影響的儀表設(shè)計(jì)必須被認(rèn)為是系統(tǒng)整體完整性的薄弱環(huán)節(jié)。這些組件有可能破壞智能電表控制器的數(shù)據(jù)，并最終使公用事業(yè)公司的計(jì)費(fèi)信息無(wú)效。

智能計(jì)量解決方案的安裝基礎(chǔ)意味著系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性始終是最值得關(guān)注的問(wèn)題。與任何復(fù)雜的系統(tǒng)一樣，整體的可靠性也受到系統(tǒng)中最弱的組成部分的限制。在許多情況下，薄弱環(huán)節(jié)將是一種較劣的、過(guò)時(shí)的隔離技術(shù)。轉(zhuǎn)向現(xiàn)代的、基于cmos的數(shù)字隔離產(chǎn)品，消除了對(duì)智能電表設(shè)計(jì)中隔離部分的使用壽命的擔(dān)憂。改善系統(tǒng)的使用壽命，最終會(huì)降低維修成本和保修費(fèi)用。

盡管光耦合器和變壓器作為隔離技術(shù)很受歡迎，但這兩種解決方案都有明顯的弱點(diǎn)，應(yīng)該會(huì)引起計(jì)量應(yīng)用 程序的關(guān)注。CMOS數(shù)字隔離器通過(guò)提供對(duì)電氣噪聲和外部磁場(chǎng)的優(yōu)越免疫力，為智能計(jì)量提供了最佳的隔離解決方案。在智能計(jì)量中使用CMOS數(shù)字隔離器，可確保準(zhǔn)確、未損壞的功率測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)隔離屏障傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器。