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CMOS數(shù)字隔離器在智能電表中的應(yīng)用

   2012年07月20日 15:58  
  摘要: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)。在智能電表設(shè)計(jì)中確保數(shù)據(jù)完整性的zui有效的解決辦法之一就是使用的數(shù)字隔離技術(shù)。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,本文講述了一種CMOS數(shù)字隔離器在智能電表中的應(yīng)用方法,供大家了解。
  
  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)。智能電表使用的集成電路(IC)技術(shù)進(jìn)行測(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zui有效的解決辦法之一就是使用的數(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zui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,SiliconLabs公司的Si84xxCMOS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zui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zui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zui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*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。

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