電流互感器用於檢測智能電錶中的交流電流解析方案

2020-11-21 電子產品世界

兼容直流的電流互感器一直用於檢測智能電錶中的交流電流，但它有一些缺點，而且很昂貴。對於某些應用，分流電阻是更好的電流傳感器選擇，因為它價格低廉、具有高線性度並且抗磁場幹擾。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錶等應用中，採用隔離電源技術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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/160591.htm

單相防竊電智能電錶

考慮圖1所示的單相防竊電智能電錶。模擬前端(AFE) IC利用分流電阻測量相位電流，並利用一個簡單的分壓器測量相位電壓，從而計算電能並監控負載的質量。在這種應用中，電力線相位電壓用作AFE的接地參考。零線電流測量必須隔離，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)。然後，MCU將數據發送到通信模塊，通常使用UART接口，必須確保安全隔離並避免接地環路。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。

電錶電源從電力線獲得，但安全隔離柵會產生兩個電源域。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，單相防竊電電錶中有多個點需要隔離：

●零線電流檢測

●AFE與MCU(隔離1)之間或MCU與通信模塊之間

必須通過隔離柵1和2的信號是數位訊號。為了隔離數位訊號，已經開發出許多技術。傳統方法使用帶LED和光電二極體的光耦合器，較新的技術則是使用晶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勢，包括：更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時序精度更佳、易於使用。晶片級隔離技術也可以與其他半導體電路結合，實現小尺寸、高集成度解決方案。在數據速率較高的應用中，這些優勢尤其顯著。智能電能計量就是這樣一種應用，目前新式電錶需要更高的實時信息流量。

晶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封裝中。iCoupler產品就有這種能力，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。考慮上例中的零線電流檢測。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，這會提高其成本。此外，它還會引入相位延遲，相位延遲隨頻率成分不同而異，因此難以在整個頻譜範圍內進行補償。分流電阻具有明顯的優勢。不僅價格低廉，不受外部交流或直流磁場的影響，而且與用於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題。這樣就產生一種新的單相防竊電智能電錶結構。

新結構利用AFE1測量從線路電流獲得的電氣量，利用AFE2測量從零線電流獲得的電氣量。兩個電流均利用不受外部磁場影響的分流電阻測量，從而消除竊電之憂。AFE2利用一個IC接收功率，該IC包含一個基於數字隔離器的隔離電源。它利用嵌入同一IC並採用相同技術的隔離數據通道與MCU通信。

可以將同樣的方法(IC同時包含隔離電源和隔離數據通道)應用於通信模塊，因為它也需要一個隔離電源並通過隔離柵進行數據通信。

與大型、昂貴、難以通過認證的隔離電源相比，這種方法的優勢顯而易見。數字隔離技術造就了業界最小的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，而無需擔心隔離問題。

三相智能電錶

對於三相智能電錶，可以採用同樣的方法。在傳統的四線系統中，零線被選作電錶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建兩個電源域：一個為AFE供電，一個為通信模塊供電，電源必須進行隔離以保證安全。MCU可以置於任一電源域中，因此AFE與MCU之間(隔離1)或MCU與通信模塊之間都存在一個隔離柵。

類似於單相防竊電電錶所採用的方法，利用數字隔離技術，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(可通過隔離柵通信)的IC供電並與MCU通信。

結束語

分流電阻和晶片級數字隔離器完全可以取代直流兼容型電流互感器，同時實現數據隔離和電源隔離。數字隔離器優於傳統的光耦合器，並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，堪稱光耦合器的真正替代產品。

數字隔離器使智能電錶的系統架構發生如下變化：

●相電流和零線電流可以利用分流電阻檢測，從而消除通過磁場幹擾竊電的風險，以及處理電流互感器相位延遲的難題。

●使用UL認證的IC，單相和三相電錶均可以使用單一主電源。特別是在三相電錶中，這可以顯著縮小電源尺寸，使電錶外殼尺寸更小。

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