【技术】具有卓越抗扰性CMOS数字隔离器，提高智能计量解决方案的数据可靠性

时间： 2018-12-31 来源：Silicon Labs

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随着消费者从传统的机电仪表升级到并网智能电表，自动抄表（AMR）市场预计将在未来几年内以两位数增长。如今，先进的智能电表采用最新的集成电路（IC）技术，可精确测量和报告所消耗的电量。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，这可直接影响公用事业提供商的计费收入。另一个主要问题是系统可靠性，因为可靠性差通过增加维修和更换成本对公用事业提供商产生负面影响，确保智能电表设计中数据完整性和长期系统可靠性的最有效解决方案是使用最先进的数字隔离技术。

智能功率计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。在有线计量应用中，如在高密度住宅区中部署的应用，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.带数字通信总线的智能功率计

其他子系统，尤其是那些暴露在高压下的子系统，也必须包含隔离电路。例如，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电流隔离。这些系统中的信号隔离可以以多种方式实现。

光耦合器通常用于智能电表中以进行信号隔离，但它们的使用带来了设计挑战。特别是，光耦合器不能长期提供可靠的隔离解决方案。由于用于隔离的介电材料和用作内部信号发射器的LED，这些器件的性能水平会随时间变化。隔离屏障的清晰度会随着时间的推移而降低，并受到各种环境因素的影响，例如温度和湿度。此外，所有LED都会随着时间的推移而降低信号强度。这两个因素限制了基于光耦合器的智能电表可以可靠地使用寿命。

光耦合器的另一个重要缺点是它们有限的共模瞬变抗扰度（CMTI）。 CMTI是衡量隔离器抑制隔离栅输入侧和输出侧之间存在的快速瞬态噪声信号的能力。由于其物理结构，光耦合器往往具有高寄生输入 - 输出电容（通常以皮法为单位）。较高的内部寄生耦合电容导致较差的CMTI性能（见图2）。

图2.共模瞬变影响光耦合器信号，导致数据错误

光耦合器供应商经常建议使用过度驱动光耦器，以提高开启时的抗噪能力，并对LED进行反向偏置，以便在关闭时提高抗扰度。这些操作增加了光耦合器CMTI，但它们进一步降低了器件的使用寿命。系统可靠性受到负面影响，维护成本增加。

用于智能功率计应用的另一种隔离解决方案涉及使用隔离变压器。然而，通常避免使用变压器，因为它们易受数据破坏性电磁干扰（EMI）的影响。脉冲变压器由于其固有的更宽带宽而倍增这一关注点，这是正确传送数字信号所必需的。

电磁（EM）抗扰度是功率计设计中的主要问题，原因有两个。首先，仪表很可能安装在电磁噪声位置。其次，一些隔离技术可能是仪表系统中最薄弱的开发点。例如，在外场应用中于基于变压器的系统会对数据完整性产生负面影响。实际上，有些公用事业客户通过将强磁铁或线圈连接到设备来禁用功率计。在任何一种情况下，外部磁场或EM噪声都会向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的数字隔离器可提供更高的CMTI性能，同时保持更高的工作寿命和更高的可靠性。例如，SILICON LABS的Si84xx系列CMOS数字隔离器的典型CMTI规格为25 kV /μs，而下一代隔离器件的性能水平将提高一倍。

在电磁性能方面，CMOS数字隔离器远远优于其他隔离技术。例如，Si84xx隔离器具有所有商用数字隔离器件的最高EMI容限（> 300 V / m电场抗扰度，> 1000 A / m磁场抗扰度）。这些数字隔离器通过使用差分信号路径在隔离栅上传输数据来实现这一性能。与窄带通滤波配合使用，可提供出色的共模噪声抑制，如图3所示。

图3.差分信号和窄带接收器拒绝共模噪声

优良的电磁干扰和CMTI性能源于这样一个事实，即基于CMOS的隔离器实现可最大限度地减小器件特征尺寸。最小的电容器尺寸减小了隔离屏障上的有意和寄生电容。与跨屏障的高电容解决方案相比，这提高了CMTI性能。小特征尺寸还有助于防止隔离器充当杂散场的天线。除了避免在设计中使用变压器外，该特性还使系统能够保持高水平的电磁抗扰度。

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隔离解决方案。数字隔离器中使用的介电材料通常是作为标准CMOS处理步骤产生的高度稳定的二氧化硅层。二氧化硅表现出不受环境影响的降解，并且随着时间的推移未显示其固有性质的变化。内部信号源完全是电气信号，也不会随时间改变属性。CMOS数字隔离器在最坏情况下具有高温和数百伏的恒定隔离栅电压，预计可在60年内可靠地运行。实际上，CMOS数字隔离器应该比系统的使用寿命更长，并降低维修和更换成本。

随着智能电网的全球扩建，智能电表在市场上变得越来越普遍，电表安装人员对电表所处环境的区分性将越来越少，因为环境影响增加了测量数据损坏的可能性。仪表设计中使用的任何计量组件都可能受到电噪声或电磁场的不利影响，必须将其视为系统整体完整性的薄弱环节。这些组件有可能将数据中断到智能电表控制器，并最终使公用事业的计费信息无效。

不断增长的智能电表安装意味着长期系统可靠性必须始终是最受关注的问题。与任何复杂系统一样，整体可靠性受到系统中最弱组件的限制。在许多情况下，薄弱环节将是一种劣质，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的隔离部分寿命的担忧。改善系统寿命最终可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已经普及，但这两种解决方案都存在明显的弱点，应引起计量应用的关注。CMOS数字隔离器通过提供对电噪声和外部场的卓越抗扰性，为智能计量提供最佳隔离解决方案。在智能计量中使用CMOS数字隔离器可确保准确，无损的功率测量数据通过隔离屏障传递到系统控制器。

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