单相防窃电智能电表设计

出处:adi 发布于:2022-03-10 14:25:29

    兼容直流的电流互感器一直用于检测智能电表中的交流电流,但它有一些缺点,而且很昂贵。对于某些应用,分流电阻是更好的电流传感器选择,因为它价格低廉、具有高线性度并且抗磁场干扰。遗憾的是,分流电阻不具有电流互感器所固有的电气隔离特性。在要求隔离的智能电表等应用中,采用隔离电源技术的数字隔离器与分流电阻结合可提供一种良好的解决方案。

    单相防窃电智能电表

    考虑图 1 所示的单相防窃电智能电表。模拟前端 (AFE)IC 利用分流电阻测量相位电流,并利用一个简单的分压器测量相位电压,从而计算电能并监控负载的质量。在这种应用中,电力线相位电压用作 AFE 的接地参考。零线电流测量必须隔离,从而保护 AFE 免受高压影响。AFE 利用标准 SPI 或 I2C 通信将计算得到的电气量传输给微控制器 (MCU)。然后,MCU 将数据发送到通信模块,通常使用 UART 接口,必须确保安全隔离并避免接地环路。因此,MCU 必须与 AFE 隔离,与通信模块共地(隔离 1),或者与通信模块隔离,与 AFE 共地(隔离 2)。

    电表电源从电力线获得,但安全隔离栅会产生两个电源域。图 1中的 PS1与相电源是同一电源域,可以直接使用而无需隔离 AFE。然而,安全隔离栅 1 或 2 则需要使用隔离电源 PS2 来为 MCU 和通信模块(隔离 1)提供电源,或者仅为通信模块(隔离 2)供电。

    总而言之,单相防窃电电表中有多个点需要隔离:

    零线电流检测

    AFE 与 MCU(隔离 1)之间或 MCU 与通信模块之间(隔离 2)

    必须通过隔离栅 1 和 2 的信号是数字信号。为了隔离数字信号,已经开发出许多技术。传统方法使用带 LED 和光电二极管光耦合器,较新的技术则是使用芯片级变压器的数字隔离器。例如,与光耦合器相比,iCoupler?数字隔离器具有许多优势,包括 :更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、时序jing度更佳、易于使用。芯片级隔离技术也可以与其他半导体电路结合,实现小尺寸、高集成度解决方案。在数据速率较高的应用中,这些优势尤其显著。智能电能计量就是这样一种应用,目前新式电表需要更高的实时信息流量。

    芯片级变压器也可以用在隔离式 DC-DC 转换器中,从而将数据和电源隔离集成到单个封装中。iCoupler 产品就有这种能力,isoPower? 隔离式 DC-DC 转换器可集成到隔离式数据通道所在的同一薄型表贴封装中。考虑上例中的零线电流检测。传统上使用电流互感器,因为它本身能够提供隔离,但电流互感器必须为直流兼容型以免饱和,这会提高其成本。此外,它还会引入相位延迟,相位延迟随频率成分不同而异,因此难以在整个频谱范围内进行补偿。分流电阻具有明显的优势。不仅价格低廉,不受外部交流或直流磁场的影响,而且与用于检测相电流的分流电阻具有相同的特性。然而,分流电阻本身不具隔离性。使用集成 DC-DC 转换器和隔离数据通道的数字隔离器可以解决这一问题。这样就产生一种新的单相防窃电智能电表结构(图 2)。

    IC 内置芯片级变压器的单相防窃电智能电表图2. IC 内置芯片级变压器的单相防窃电智能电表

    新结构利用 AFE1 测量从线路电流获得的电气量,利用AFE2 测量从零线电流获得的电气量。两个电流均利用不受外部磁场影响的分流电阻测量,从而消除窃电之忧。AFE2 利用一个 IC 接收功率,该 IC 包含一个基于数字隔离器的隔离电源。它利用嵌入同一 IC 并采用相同技术的隔离数据通道与 MCU 通信。

    可以将同样的方法(IC 同时包含隔离电源和隔离数据通道)应用于通信模块,因为它也需要一个隔离电源并通过隔离栅进行数据通信。

    与大型、昂贵、难以通过认可的隔离电源相比,这种方法的优势显而易见。数字隔离技术造就了业界很小的UL 认可 DC-DC 转换器,这些 IC 具有很高的热稳定性和机械稳定性、出色的耐化学腐蚀性以及良好的 ESD 性能。设计工程师现在可以集中精力改善系统设计,而无需担心隔离问题。

    三相智能电表图 3. 三相智能电表

    三相智能电表

    对于三相智能电表(图 3),可以采用同样的方法。在传统的四线系统中,零线被选作电表 AFE 的接地参考。相电流利用电流互感器测量。电源利用所有三相创建两个电源域 :一个为 AFE 供电,一个为通信模块供电,电源必须进行隔离以保证安全。MCU 可以置于任一电源域中,因此 AFE 与 MCU 之间(隔离 1)或 MCU 与通信模块之间(隔离 2)都存在一个隔离栅。

    类似于单相防窃电电表所采用的方法,利用数字隔离技术,可以将电流传感器替换为使用分流电阻的隔离模块,通信模块可以利用包含隔离电源和数据通道(可通过隔离栅通信)的 IC 供电并与 MCU 通信(图 4)。

    IC 内置芯片级变压器的三相智能电表图 4. IC 内置芯片级变压器的三相智能电表

    结束语

    分流电阻和芯片级数字隔离器完全可以取代直流兼容型电流互感器,同时实现数据隔离和电源隔离。数字隔离器优于传统的光耦合器,并且支持多种串行通信 :SPI、I2C 或 UART。数字隔离器性能更高、更易使用、更加可靠,堪称光耦合器的真正替代产品。

    数字隔离器使智能电表的系统架构发生如下变化 :

    相电流和零线电流可以利用分流电阻检测,从而消除通过磁场干扰窃电的风险,以及处理电流互

    感器相位延迟的难题。

    使用 UL 认可的 IC,单相和三相电表均可以使用单一主电源。特别是在三相电表中,这可以显著缩

    小电源尺寸,使电表外壳尺寸更小。


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