利用CMOS數字隔離器提高智能計量解決方案的數據完整性和可靠性

介紹

隨著(zhù)消費者從傳統的機電電表升級到聯(lián)網(wǎng)的智能電表，自動(dòng)讀表（AMR）市場(chǎng)預計在未來(lái)幾年將以?xún)晌粩档乃俣仍鲩L(cháng)。當今先進(jìn)的智能電表使用最新的集成電路（IC）技術(shù)來(lái)準確地測量和報告所消耗的耗電量。雖然智能電表比機電電表更復雜，但智能電表設計的一個(gè)主要問(wèn)題是測量數據的完整性，這可能直接影響公用事業(yè)供應商的賬單收入。系統可靠性是另一個(gè)主要問(wèn)題，因為可靠性差會(huì )通過(guò)增加維修和更換成本對公用事業(yè)供應商產(chǎn)生負面影響。在智能電表設計中，確保數據完整性和長(cháng)期系統可靠性的最有效的解決方案是使用最先進(jìn)的數字隔離技術(shù)。

智能電表使用電流隔離來(lái)保護內部低壓集成電路，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(xiàn)計量應用程序中，如那些部署在高密度住宅綜合體中的應用程序中，也可以在控制器和數字數據總線(xiàn)之間使用隔離，如圖1所示。

圖1。帶有數字通信總線(xiàn)的智能功率表

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

光耦合器經(jīng)常用于智能電表的信號隔離，但它們的使用在設計上存在挑戰。特別是，光耦合器不能長(cháng)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)驗室公司。Rev 1.0 2用于隔離和LED用作內部信號****。隔離屏障的清晰度會(huì )隨著(zhù)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led的信號強度都隨著(zhù)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使用的時(shí)間長(cháng)度。

光耦合器的另一個(gè)顯著(zhù)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之間的快速瞬態(tài)噪聲信號的能力的度量。由于其物理結構，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）。較高的內部寄生耦合電容導致較差的CMTI性能（見(jiàn)圖2）。

圖2。共模瞬態(tài)會(huì )影響光耦合器的信號，造成數據錯誤

光耦合器供應商經(jīng)常建議超速驅動(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。系統的可靠性受到負面影響，維護成本增加。

另一種應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，因為它們容易受數據腐蝕電磁干擾（EMI）。脈沖變壓器增加了這種擔憂(yōu)，因為它們固有的更寬的帶寬，這是忠實(shí)地傳輸數字信號所必需的。

電磁（EM）免疫力是功率表設計中的一個(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)可能是儀表系統中最薄弱的點(diǎn)。例如，將外部電場(chǎng)應用于基于變壓器的系統可能會(huì )對數據的完整性產(chǎn)生負面影響。事實(shí)上，也有一些案例表明，公用事業(yè)客戶(hù)通過(guò)在設備上附加強磁鐵或線(xiàn)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 )給控制器提供錯誤的測量數據。

現代CMOS數字隔離器解決了智能電表應用中的這些問(wèn)題。與光耦合器相比，基于cmos的數字隔離器提供了顯著(zhù)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)驗室的Si86xx系列CMOS數字隔離器具有典型的CMTI規格為60kV/μs，下一代隔離設備預計將使這一性能水平提高一倍。

CMOS數字隔離器在電磁性能方面遠遠優(yōu)于其他隔離技術(shù)。例如，Si86xx隔離器在所有商用數字隔離設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）。這些數字隔離器通過(guò)使用差分信號路徑通過(guò)隔離屏障傳輸數據來(lái)實(shí)現這種性能。與窄通帶濾波相結合，這提供了優(yōu)越的共模噪聲抑制，如圖3所示。

圖3。差分信號和窄帶接收機拒絕共模噪聲

優(yōu)越的電磁干擾和CMTI性能源于基于cmos的隔離器實(shí)現最大限度化設備特征大小。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(xiàn)。除了在設計中避免使用變壓器，這一特性使系統能夠保持高水平的電磁抗擾力。

CMOS數字隔離器的長(cháng)期可靠性和功能壽命明顯優(yōu)于其他傳統的隔離解決方案。用于數字隔離器中的電介質(zhì)材料通常是一種高度穩定的二氧化硅（二氧化硅）層，作為一個(gè)標準的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。內部的信號源完全是電性的，也不會(huì )隨時(shí)間的推移而改變特性。CMOS數字隔離器，在最壞的高溫和恒定的隔離屏障電壓條件下，預計將在60年內可靠地運行。事實(shí)上，CMOS數字隔離器應該能超過(guò)系統的可用壽命，并降低維修和更換成本。

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

可能受到電噪聲或電磁場(chǎng)不利影響的儀表設計必須被認為是系統整體完整性的薄弱環(huán)節。這些組件有可能破壞智能電表控制器的數據，并最終使公用事業(yè)公司的計費信息無(wú)效。

智能計量解決方案的安裝基礎意味著(zhù)系統的長(cháng)期可靠性始終是最值得關(guān)注的問(wèn)題。與任何復雜的系統一樣，整體的可靠性也受到系統中最弱的組成部分的限制。在許多情況下，薄弱環(huán)節將是一種較劣的、過(guò)時(shí)的隔離技術(shù)。轉向現代的、基于cmos的數字隔離產(chǎn)品，消除了對智能電表設計中隔離部分的使用壽命的擔憂(yōu)。改善系統的使用壽命，最終會(huì )降低維修成本和保修費用。

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)，應該會(huì )引起計量應用 程序的關(guān)注。CMOS數字隔離器通過(guò)提供對電氣噪聲和外部磁場(chǎng)的優(yōu)越免疫力，為智能計量提供了最佳的隔離解決方案。在智能計量中使用CMOS數字隔離器，可確保準確、未損壞的功率測量數據通過(guò)隔離屏障傳輸到系統控制器。