利用數(shù)字隔離器解決智能電表隔離問題

直流電（DC）耐受電流變壓器被使用于智能型電表（Smart Meter）中感測AC（交流電）電流已經(jīng)有很長的時(shí)間，但是它們有某些缺點(diǎn)，而且可能很昂貴。對于某些應(yīng)用裝置而言，電式分流器是較佳的電流感測器，因?yàn)楸容^沒那么昂貴，而且具有高線性度，又能夠抵抗磁力的影響。

　　但不幸的是，電阻式分流器本身并不具備電流變壓器的電力隔離功能。在如智能型電表之類須要隔離的應(yīng)用裝置內(nèi)，具備隔離式電力技術(shù)并結(jié)合分流電阻的數(shù)位隔離器，則為以上這個(gè)問題提供了解決方案。隔離器有很多種分類，如光電隔離器、信號隔離器、天線隔離和總線隔離器等.

　　改進(jìn)單相位防竄改智能型電表

　　在單相位防竄改智能型電表（圖1）中，類比前端（AFE）IC會(huì)利用電阻分流器量測相位電流，以及利用簡單的電壓分配器量測相位電壓，藉以計(jì)算能源與監(jiān)測負(fù)載的品質(zhì)。

　　圖1 單相位防竄改智能型電表

　　在這個(gè)應(yīng)用裝置內(nèi)，電力線相位電壓被當(dāng)作使用于AFE的接地參考。中性線路電流的量測必須加以隔離，以便讓AFE能夠避開高電壓。AFE會(huì)利用標(biāo)準(zhǔn)串列周邊介面（SPI）或是I2C通訊將經(jīng)過計(jì)算的電量發(fā)送到微控制器（MCU）。MCU接著就會(huì)將資料傳送到通訊模組，且通常會(huì)使用必須確保安全隔離與避免接地回路的通用異步收發(fā)器（UART）介面。如此一來，MCU若不是與AFE隔離并且與通訊模組（Isolation 1）共用接地，就是與通訊模組隔離而與AFE共用接地（Isolation 2）。

　　電表的電源供應(yīng)來自于電力線（Power Line），但兩組電力域則是由安全隔離屏障所建立出來的。圖1內(nèi)的PS1與相位處于同一個(gè)電力域內(nèi)，而且可以不須要隔離AFE就加以使用。然而，不論是安全隔離屏障1或2都須使用隔離式電源供應(yīng)PS2,藉以將電力提供給MCU與通訊模組（Isolation 1），或是只提供給通訊模組（Isolation 2）。

　　總而言之，在單相位防竄改電表中有多個(gè)位置須要隔離，包括中性線路電流感測，以及在AFE與MCU（Isolation 1）之間或是MCU與通訊模組（Isolation 2）之間。

　　必須通過隔離屏障1與2的訊號采數(shù)位格式。已經(jīng)有許多能夠隔離數(shù)位訊號的技術(shù)被開發(fā)出來。傳統(tǒng)的方案采用具有發(fā)光二極體（LED）和光電二極體的光耦合器。然而，較新的技術(shù)則是以采用晶片等級變壓器的數(shù)位隔離器方式存在。

　　舉例來說，亞諾德（ADI）iCoupler數(shù)位隔離器相較于光耦合器具有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：更好的可靠度、更小的尺寸、更低的功率耗損、更高的通訊速度、更好的時(shí)序精確度，以及易于使用的特點(diǎn)。

　　此外，晶片等級的隔離技術(shù)也能夠與其他的半導(dǎo)體電路結(jié)合，藉以在很小的基底尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)高整合度的解決方案。智能型電表就是屬于這種類型的應(yīng)用裝置，因?yàn)槟壳拜^新款的電表需要更高的即時(shí)資訊流。

　　晶片等級變壓器也可以被使用于隔離式直流對直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器中，藉以使資料和電力的隔離能夠被整合至單一晶片內(nèi)。iCoupler產(chǎn)品將isoPower隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器以如同隔離式資料通道的方式整合至相同的表面黏著、低剖面高度封裝中，因而能夠提供如同前述的能力。

　　以上述范例中的中性線路電流感測為例，在傳統(tǒng)上會(huì)使用電流變壓器的塬因是其本身就具備隔離功能，但是電流變壓器必須要有DC耐受能力以避免其飽和，而這會(huì)增加成本。它們也會(huì)導(dǎo)致因?yàn)轭l率元件而形成差異的相位延遲，因而很難在整個(gè)頻譜中加以補(bǔ)償。

　　分流器也具備相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，例如比較沒那么昂貴，不會(huì)受外部AC或DC磁場影響，而且也具有與用來感測相位電流之分流器相同的特性。然而，它們本身并沒有隔離功能。這點(diǎn)可以利用內(nèi)含整合式DC-DC轉(zhuǎn)換器與隔離式資料通道的數(shù)位隔離器來加以克服。這使得新架構(gòu)的單相位防竄改智能型電表得以實(shí)現(xiàn)（圖2）。

　　圖2 具有晶片等級變壓器IC的單相位防竄改智能型電表

　　此新的架構(gòu)利用AFE1來量測由線路電流所取得的電量，利用AFE2量測由中性電流所取得的電量。兩種電流都以能夠抵抗外部磁場的分流器進(jìn)行量測，因而消除竄改的顧慮。AFE2利用包含以數(shù)位隔離器為基礎(chǔ)隔離式電源供應(yīng)IC接收電力。它利用嵌入于相同IC并采用相同技術(shù)的隔離式資料通道與MCU進(jìn)行溝通。

　　而相同的方案--具備包含隔離式電源及隔離式資料通道的IC,可被應(yīng)用于通訊模組上，這是因?yàn)樗残枰綦x式電源供應(yīng)，以及能夠穿越隔離屏障的資料通訊。

　　在與難以認(rèn)證、龐大且昂貴的隔離式電源供應(yīng)器相比較時(shí)，這種方案的優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)明顯；數(shù)位隔離技術(shù)創(chuàng)造出最小的UL認(rèn)證DC-DC轉(zhuǎn)換器。這些IC具備在溫度與機(jī)構(gòu)方面的高穩(wěn)定性、良好的耐化學(xué)性及靜電釋放（ESD）性能。設(shè)計(jì)廠商現(xiàn)在可以專注于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改善，而不必?fù)?dān)心隔離方面的問題。