利用CMOS数字隔离器提高智能计量解决方案的数据完整性和可靠性

介绍

随着消费者从传统的机电电表升级到联网的智能电表，自动读表（AMR）市场预计在未来几年将以两位数的速度增长。当今先进的智能电表使用最新的集成电路（IC）技术来准确地测量和报告所消耗的耗电量。虽然智能电表比机电电表更复杂，但智能电表设计的一个主要问题是测量数据的完整性，这可能直接影响公用事业供应商的账单收入。系统可靠性是另一个主要问题，因为可靠性差会通过增加维修和更换成本对公用事业供应商产生负面影响。在智能电表设计中，确保数据完整性和长期系统可靠性的最有效的解决方案是使用最先进的数字隔离技术。

智能电表使用电流隔离来保护内部低压集成电路，以及公用事业服务人员免受暴露于高压电源的传感器的影响。在有线计量应用程序中，如那些部署在高密度住宅综合体中的应用程序中，也可以在控制器和数字数据总线之间使用隔离，如图1所示。

图1。带有数字通信总线的智能功率表

其他的子系统，特别是那些暴露于高压下的子系统，也必须包含隔离电路。例如，在内部智能电表控制器IC和电力线通信（PLC）调制解调器之间需要进行电流隔离。这些系统中的信号隔离可以通过多种方式来实现。

光耦合器经常用于智能电表的信号隔离，但它们的使用在设计上存在挑战。特别是，光耦合器不能长期提供可靠的隔离解决方案。由于使用的介电材料，这些器件的性能水平会随时间而变化硅实验室公司。Rev 1.0 2用于隔离和LED用作内部信号发射器。隔离屏障的清晰度会随着时间的推移而降低，并受到温度和湿度等各种环境因素的影响。此外，所有led的信号强度都随着时间的推移而降低。这两个因素限制了基于光电耦合器的智能电表能够可靠地继续使用的时间长度。

光耦合器的另一个显著缺点是其有限的共模瞬态免疫（CMTI）。CMTI是隔离器拒绝隔离屏障输入和输出侧之间的快速瞬态噪声信号的能力的度量。由于其物理结构，光耦合器往往具有较高的寄生输入输出电容（通常在皮光片）。较高的内部寄生耦合电容导致较差的CMTI性能（见图2）。

图2。共模瞬态会影响光耦合器的信号，造成数据错误

光耦合器供应商经常建议超速驱动光耦合器的LED以提高噪声免疫力，并在关闭时反向偏置LED以增加免疫力。这些作用增加了光耦器CMTI，但进一步降低了器件寿命。系统的可靠性受到负面影响，维护成本增加。

另一种应用于智能功率表的隔离解决方案涉及到使用隔离变压器。然而，变压器通常避免，因为它们容易受数据腐蚀电磁干扰（EMI）。脉冲变压器增加了这种担忧，因为它们固有的更宽的带宽，这是忠实地传输数字信号所必需的。

电磁（EM）免疫力是功率表设计中的一个主要问题，原因有两个原因。首先，仪表很有可能安装在电磁噪声的位置。

其次，一些隔离技术可能是仪表系统中最薄弱的点。例如，将外部电场应用于基于变压器的系统可能会对数据的完整性产生负面影响。事实上，也有一些案例表明，公用事业客户通过在设备上附加强磁铁或线圈而禁用电能表。在任何一种情况下，外部磁场或电磁噪声都会给控制器提供错误的测量数据。

现代CMOS数字隔离器解决了智能电表应用中的这些问题。与光耦合器相比，基于cmos的数字隔离器提供了显著的更高的CMTI性能，同时保持了更高的工作寿命和更高的可靠性。例如，硅实验室的Si86xx系列CMOS数字隔离器具有典型的CMTI规格为60kV/µs，下一代隔离设备预计将使这一性能水平提高一倍。

CMOS数字隔离器在电磁性能方面远远优于其他隔离技术。例如，Si86xx隔离器在所有商用数字隔离设备中具有最高的电磁干扰容限（>300 V/m电场抗扰力和>1000 A/m磁场抗扰力）。这些数字隔离器通过使用差分信号路径通过隔离屏障传输数据来实现这种性能。与窄通带滤波相结合，这提供了优越的共模噪声抑制，如图3所示。

图3。差分信号和窄带接收机拒绝共模噪声

优越的电磁干扰和CMTI性能源于基于cmos的隔离器实现最大限度化设备特征大小。最小的电容器尺寸减少了有意的和寄生的电容通过隔离屏障。这提高了CMTI的性能，超过了具有高电容的解决方案。较小的特征尺寸也有助于防止隔离器作为杂散场的天线。除了在设计中避免使用变压器，这一特性使系统能够保持高水平的电磁抗扰力。

CMOS数字隔离器的长期可靠性和功能寿命明显优于其他传统的隔离解决方案。用于数字隔离器中的电介质材料通常是一种高度稳定的二氧化硅（二氧化硅）层，作为一个标准的CMOS处理步骤生产。二氧化硅不会因环境影响而降解，也不会显示其固有性质随时间的变化。内部的信号源完全是电性的，也不会随时间的推移而改变特性。CMOS数字隔离器，在最坏的高温和恒定的隔离屏障电压条件下，预计将在60年内可靠地运行。事实上，CMOS数字隔离器应该能超过系统的可用寿命，并降低维修和更换成本。

随着全球智能电网的发展，智能计量在市场上变得越来越普遍，电表安装人员对电表所在环境的区分将会减少，这就增加了测量数据损坏的可能性。中使用的任何计量组件

可能受到电噪声或电磁场不利影响的仪表设计必须被认为是系统整体完整性的薄弱环节。这些组件有可能破坏智能电表控制器的数据，并最终使公用事业公司的计费信息无效。

智能计量解决方案的安装基础意味着系统的长期可靠性始终是最值得关注的问题。与任何复杂的系统一样，整体的可靠性也受到系统中最弱的组成部分的限制。在许多情况下，薄弱环节将是一种较劣的、过时的隔离技术。转向现代的、基于cmos的数字隔离产品，消除了对智能电表设计中隔离部分的使用寿命的担忧。改善系统的使用寿命，最终会降低维修成本和保修费用。

尽管光耦合器和变压器作为隔离技术很受欢迎，但这两种解决方案都有明显的弱点，应该会引起计量应用程序的关注。CMOS数字隔离器通过提供对电气噪声和外部磁场的优越免疫力，为智能计量提供了最佳的隔离解决方案。在智能计量中使用CMOS数字隔离器，可确保准确、未损坏的功率测量数据通过隔离屏障传输到系统控制器。

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