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电流互感器用于检测智能电表中的交流电流解析方案

导读: 兼容直流的电流互感器一直用于检测智能电表中的交流电流,但它有一些缺点,而且很昂贵。对于某些应用,分流电阻是更好的电流传感器选择,因为它价格低廉、具有高线性度并且抗磁场干扰。

  兼容直流的电流互感器一直用于检测智能电表中的交流电流,但它有一些缺点,而且很昂贵。对于某些应用,分流电阻是更好的电流传感器选择,因为它价格低廉、具有高线性度并且抗磁场干扰。遗憾的是,分流电阻不具有电流互感器所固有的电气隔离特性。在要求隔离的智能电表等应用中,采用隔离电源技术的数字隔离器与分流电阻结合可提供一种良好的解决方案。

  单相防窃电智能电表

  考虑图1所示的单相防窃电智能电表。模拟前端(AFE) IC利用分流电阻测量相位电流,并利用一个简单的分压器测量相位电压,从而计算电能并监控负载的质量。在这种应用中,电力线相位电压用作AFE的接地参考。零线电流测量必须隔离,从而保护AFE免受高压影响。AFE利用标准SPI或I2C通信将计算得到的电气量传输给微控制器(MCU)。然后,MCU将数据发送到通信模块,通常使用UART接口,必须确保安全隔离并避免接地环路。因此,MCU必须与AFE隔离,与通信模块共地,或者与通信模块隔离,与AFE共地。

  电表电源从电力线获得,但安全隔离栅会产生两个电源域。图1中的PS1与相电源是同一电源域,可以直接使用而无需隔离AFE。然而,安全隔离栅1或2则需要使用隔离电源PS2来为MCU和通信模块提供电源,或者仅为通信模块供电。

  总而言之,单相防窃电电表中有多个点需要隔离:

  ●零线电流检测

  ●AFE与MCU(隔离1)之间或MCU与通信模块之间

  必须通过隔离栅1和2的信号是数字信号。为了隔离数字信号,已经开发出许多技术。传统方法使用带LED和光电二极管的光耦合器,较新的技术则是使用芯片级变压器的数字隔离器。例如,与光耦合器相比,iCoupler数字隔离器具有许多优势,包括:更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、时序精度更佳、易于使用。芯片级隔离技术也可以与其他半导体电路结合,实现小尺寸、高集成度解决方案。在数据速率较高的应用中,这些优势尤其显著。智能电能计量就是这样一种应用,目前新式电表需要更高的实时信息流量。

  芯片级变压器也可以用在隔离式DC-DC转换器中,从而将数据和电源隔离集成到单个封装中。iCoupler产品就有这种能力,isoPower隔离式DC-DC转换器可集成到隔离式数据通道所在的同一薄型表贴封装中。考虑上例中的零线电流检测。传统上使用电流互感器,因为它本身能够提供隔离,但电流互感器必须为直流兼容型以免饱和,这会提高其成本。此外,它还会引入相位延迟,相位延迟随频率成分不同而异,因此难以在整个频谱范围内进行补偿。分流电阻具有明显的优势。不仅价格低廉,不受外部交流或直流磁场的影响,而且与用于检测相电流的分流电阻具有相同的特性。然而,分流电阻本身不具隔离性。使用集成DC-DC转换器和隔离数据通道的数字隔离器可以解决这一问题。这样就产生一种新的单相防窃电智能电表结构。

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