介紹

隨著消費者從傳統的機電電表升級到聯網的智能電表，自動讀表(AMR)市場預計在未來幾年將以兩位數的速度增長。當今先進的智能電表使用最新的集成電路(IC)技術來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主要問題是測量數據的完整性，這可能直接影響公用事業供應商的賬單收入。系統可靠性是另一個主要問題，因為可靠性差會通過增加維修和更換成本對公用事業供應商產生負面影響。在智能電表設計中，確保數據完整性和長期系統可靠性的最有效的解決方案是使用最先進的數字隔離技術。

智能電表使用電流隔離來保護內部低壓集成電路，以及公用事業服務人員免受暴露于高壓電源的傳感器的影響。在有線計量應用程序中，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之間使用隔離，如圖1所示。

圖1。帶有數字通信總線的智能功率表

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和電力線通信(PLC)調制解調器之間需要進行電流隔離。這些系統中的信號隔離可以通過多種方式來實現。

光耦合器經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隨時間而變化硅實驗室公司。Rev 1.0 2用于隔離和LED用作內部信號發射器。隔離屏障的清晰度會隨著時間的推移而降低，并受到溫度和濕度等各種環境因素的影響。此外，所有led的信號強度都隨著時間的推移而降低。這兩個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間長度。

光耦合器的另一個顯著缺點是其有限的共模瞬態免疫(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(見圖2)。

圖2。共模瞬態會影響光耦合器的信號，造成數據錯誤

光耦合器供應商經常建議超速驅動光耦合器的LED以提高噪聲免疫力，并在關閉時反向偏置LED以增加免疫力。這些作用增加了光耦器CMTI，但進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，因為它們固有的更寬的帶寬，這是忠實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主要問題，原因有兩個原因。首先，儀表很有可能安裝在電磁噪聲的位置。

其次，一些隔離技術可能是儀表系統中最薄弱的點。例如，將外部電場應用于基于變壓器的系統可能會對數據的完整性產生負面影響。事實上，也有一些案例表明，公用事業客戶通過在設備上附加強磁鐵或線圈而禁用電能表。在任何一種情況下，外部磁場或電磁噪聲都會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題。與光耦合器相比，基于cmos的數字隔離器提供了顯著的更高的CMTI性能，同時保持了更高的工作壽命和更高的可靠性。例如，硅實驗室的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于其他隔離技術。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電場抗擾力和>1000 A/m磁場抗擾力)。這些數字隔離器通過使用差分信號路徑通過隔離屏障傳輸數據來實現這種性能。與窄通帶濾波相結合，這提供了優越的共模噪聲抑制，如圖3所示。

圖3。差分信號和窄帶接收機拒絕共模噪聲

優越的電磁干擾和CMTI性能源于基于cmos的隔離器實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隔離屏障。這提高了CMTI的性能，超過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的天線。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數字隔離器的長期可靠性和功能壽命明顯優于其他傳統的隔離解決方案。用于數字隔離器中的電介質材料通常是一種高度穩定的二氧化硅(二氧化硅)層，作為一個標準的CMOS處理步驟生產。二氧化硅不會因環境影響而降解，也不會顯示其固有性質隨時間的變化。內部的信號源完全是電性的，也不會隨時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。事實上，CMOS數字隔離器應該能超過系統的可用壽命，并降低維修和更換成本。

隨著全球智能電網的發展，智能計量在市場上變得越來越普遍，電表安裝人員對電表所在環境的區分將會減少，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，并最終使公用事業公司的計費信息無效。

智能計量解決方案的安裝基礎意味著系統的長期可靠性始終是最值得關注的問題。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，薄弱環節將是一種較劣的、過時的隔離技術。轉向現代的、基于cmos的數字隔離產品，消除了對智能電表設計中隔離部分的使用壽命的擔憂。改善系統的使用壽命，最終會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很受歡迎，但這兩種解決方案都有明顯的弱點，應該會引起計量應用程序的關注。CMOS數字隔離器通過提供對電氣噪聲和外部磁場的優越免疫力，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隔離屏障傳輸到系統控制器。

審核編輯：湯梓紅