電流互感器用于檢測智能電表中的交流電流解析方案

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。對于某些應用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因為它價(jià)格低廉、具有高線(xiàn)性度并且抗磁場(chǎng)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用中，采用隔離電源技術(shù)的數字隔離器與分流電阻結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(jiǎn)單的分壓器測量相位電壓，從而計算電能并監控負載的質(zhì)量。在這種應用中，電力線(xiàn)相位電壓用作AFE的接地參考。零線(xiàn)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制器(MCU)。然后，MCU將數據發(fā)送到通信模塊，通常使用UART接口，必須確保安全隔離并避免接地環(huán)路。因此，MCU必須與AFE隔離，與通信模塊共地，或者與通信模塊隔離，與AFE共地。

電表電源從電力線(xiàn)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(wú)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(lái)為MCU和通信模塊提供電源，或者僅為通信模塊供電。

總而言之，單相防竊電電表中有多個(gè)點(diǎn)需要隔離：

●零線(xiàn)電流檢測

●AFE與MCU(隔離1)之間或MCU與通信模塊之間

必須通過(guò)隔離柵1和2的信號是數字信號。為了隔離數字信號，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多技術(shù)。傳統方法使用帶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(yōu)勢，包括：更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時(shí)序精度更佳、易于使用。芯片級隔離技術(shù)也可以與其他半導體電路結合，實(shí)現小尺寸、高集成度解決方案。在數據速率較高的應用中，這些優(yōu)勢尤其顯著(zhù)。智能電能計量就是這樣一種應用，目前新式電表需要更高的實(shí)時(shí)信息流量。

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(gè)封裝中。iCoupler產(chǎn)品就有這種能力，isoPower隔離式DC-DC轉換器可集成到隔離式數據通道所在的同一薄型表貼封裝中?？紤]上例中的零線(xiàn)電流檢測。傳統上使用電流互感器，因為它本身能夠提供隔離，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)頻譜范圍內進(jìn)行補償。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(chǎng)的影響，而且與用于檢測相電流的分流電阻具有相同的特性。然而，分流電阻本身不具隔離性。使用集成DC-DC轉換器和隔離數據通道的數字隔離器可以解決這一問(wèn)題。這樣就產(chǎn)生一種新的單相防竊電智能電表結構。

新結構利用AFE1測量從線(xiàn)路電流獲得的電氣量，利用AFE2測量從零線(xiàn)電流獲得的電氣量。兩個(gè)電流均利用不受外部磁場(chǎng)影響的分流電阻測量，從而消除竊電之憂(yōu)。AFE2利用一個(gè)IC接收功率，該IC包含一個(gè)基于數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)的隔離數據通道與MCU通信。

可以將同樣的方法(IC同時(shí)包含隔離電源和隔離數據通道)應用于通信模塊，因為它也需要一個(gè)隔離電源并通過(guò)隔離柵進(jìn)行數據通信。

與大型、昂貴、難以通過(guò)認證的隔離電源相比，這種方法的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。數字隔離技術(shù)造就了業(yè)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(xué)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系統設計，而無(wú)需擔心隔離問(wèn)題。

三相智能電表

對于三相智能電表，可以采用同樣的方法。在傳統的四線(xiàn)系統中，零線(xiàn)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 )建兩個(gè)電源域：一個(gè)為AFE供電，一個(gè)為通信模塊供電，電源必須進(jìn)行隔離以保證安全。MCU可以置于任一電源域中，因此AFE與MCU之間(隔離1)或MCU與通信模塊之間都存在一個(gè)隔離柵。

類(lèi)似于單相防竊電電表所采用的方法，利用數字隔離技術(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據通道(可通過(guò)隔離柵通信)的IC供電并與MCU通信。

結束語(yǔ)

分流電阻和芯片級數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)現數據隔離和電源隔離。數字隔離器優(yōu)于傳統的光耦合器，并且支持多種串行通信：SPI、I2C或UART。數字隔離器性能更高、更易使用、更加可靠，堪稱(chēng)光耦合器的真正替代產(chǎn)品。

數字隔離器使智能電表的系統架構發(fā)生如下變化：

●相電流和零線(xiàn)電流可以利用分流電阻檢測，從而消除通過(guò)磁場(chǎng)干擾竊電的風(fēng)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(zhù)縮小電源尺寸，使電表外殼尺寸更小。