CMOS數(shù)字隔離器為智能電表中的應(yīng)用

未來(lái)幾年由于消費(fèi)者對(duì)傳統(tǒng)機(jī)電式電表的更新?lián)Q代，智能電表市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以每年兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)。智能電表使用最新的集成電路(IC)技術(shù)進(jìn)行精確測(cè)量并報(bào)告消耗的電量，智能電表比機(jī)電式電表復(fù)雜，但更加注重測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性，這會(huì)直接影響公共事業(yè)供應(yīng)商的結(jié)算收入。在智能電表設(shè)計(jì)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(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，也使工作人員避免暴露在高壓電線下。在有線計(jì)量應(yīng)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?jǐn)?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(jìn)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(jìn)行電流隔離。這些系統(tǒng)中信號(hào)隔離可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)。

　　光耦合器常用于智能電表中的信號(hào)隔離，但它們的使用面臨著設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其主要缺點(diǎn)是受到光耦合器的共模瞬變免疫能力(CMTI)的限制。 CMTI是一個(gè)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(hào)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(jí))。高的內(nèi)部寄生耦合電容導(dǎo)致CMTI性能變差(參見(jiàn)圖2)。

　　圖2 共模瞬變影響光耦合器信號(hào)，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

　　光耦合器供應(yīng)商通常建議客戶，在光耦合器打開(kāi)時(shí)需要過(guò)量驅(qū)動(dòng)光耦合器LED燈來(lái)提高抗噪聲能力，反之在光耦合器關(guān)閉時(shí)要反向偏置LED燈。這些措施增加了光耦合器的CMTI，但同時(shí)也降低了器件壽命，影響了系統(tǒng)可靠性，增加了維護(hù)成本。

　　智能電表應(yīng)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(yīng)避免使用，因?yàn)樗鼈內(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?yàn)槠湫枰加幂^寬帶寬，而帶寬對(duì)于數(shù)字信號(hào)傳輸是極為重要的。

　　有兩大原因使得電磁場(chǎng)(EM)抑制力成為電表設(shè)計(jì)主要關(guān)注對(duì)象。首先，電表被安裝到電磁噪聲復(fù)雜的地點(diǎn)的概率較高。其次，一些隔離技術(shù)可能是電表系統(tǒng)應(yīng)用中最薄弱的環(huán)節(jié)。例如，應(yīng)用一個(gè)外部磁場(chǎng)到基于變壓器的系統(tǒng)將對(duì)數(shù)據(jù)的完整性產(chǎn)生不良影響，事實(shí)上也出現(xiàn)過(guò)客戶通過(guò)施加強(qiáng)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(chǎng)或電磁場(chǎng)噪聲將導(dǎo)致錯(cuò)誤測(cè)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(yīng)用中的這些問(wèn)題。與光耦合器相比，基于CMOS的數(shù)字隔離器提供相當(dāng)高的CMTI性能，同時(shí)保證了更長(zhǎng)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(yù)計(jì)將比現(xiàn)有產(chǎn)品的性能水平提高兩倍。

　　就電磁場(chǎng)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(chǎng)在售的數(shù)字隔離元器件中最高的EMI耐受性(>300V/m電場(chǎng)抗擾度，和>1000A/m磁場(chǎng)抗擾度)。這些數(shù)字隔離器通過(guò)使用差分信號(hào)在隔離柵中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，成對(duì)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(hào)和窄帶數(shù)字接收機(jī)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(shí)現(xiàn)了尺寸最小化，有助于防止隔離器成為雜散磁場(chǎng)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(chǎng)免疫能力。

　　隨著智能電表在構(gòu)建全球智能電網(wǎng)市場(chǎng)中變得越來(lái)越流行，電表的安裝環(huán)境有時(shí)不易因地制宜，這增加了測(cè)量數(shù)據(jù)被破壞的可能性。電表中的任何元器件都會(huì)受到電噪聲或電磁場(chǎng)的影響而可能成為整個(gè)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(jì)費(fèi)信息無(wú)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(diǎn)，在電表應(yīng)用中應(yīng)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(chǎng)抑制力。在智能電表中采用CMOS數(shù)字隔離器能確保電力測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)隔離柵準(zhǔn)確地到達(dá)系統(tǒng)控制器。