利用數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）電流已經有很長的時間，但是它們有某些缺點，而且可能很昂貴。對于某些應用裝置而言，電式分流器是較佳的電流感測器，因為比較沒那么昂貴，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用裝置內，具備隔離式電力技術并結合分流電阻的數位隔離器，則為以上這個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，藉以計算能源與監測負載的品質。

　　圖1 單相位防竄改智能型電表

　　在這個應用裝置內，電力線相位電壓被當作使用于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會利用標準串列周邊介面（SPI）或是I2C通訊將經過計算的電量發送到微控制器（MCU）。MCU接著就會將資料傳送到通訊模組，且通常會使用必須確保安全隔離與避免接地回路的通用異步收發器（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內的PS1與相位處于同一個電力域內，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的訊號采數位格式。已經有許多能夠隔離數位訊號的技術被開發出來。傳統的方案采用具有發光二極體（LED）和光電二極體的光耦合器。然而，較新的技術則是以采用晶片等級變壓器的數位隔離器方式存在。

　　舉例來說，亞諾德（ADI）iCoupler數位隔離器相較于光耦合器具有以下幾項優點：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、更好的時序精確度，以及易于使用的特點。

　　此外，晶片等級的隔離技術也能夠與其他的半導體電路結合，藉以在很小的基底尺寸內實現高整合度的解決方案。智能型電表就是屬于這種類型的應用裝置，因為目前較新款的電表需要更高的即時資訊流。

　　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。iCoupler產品將isoPower隔離式DC-DC轉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，在傳統上會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，而這會增加成本。它們也會導致因為頻率元件而形成差異的相位延遲，因而很難在整個頻譜中加以補償。

　　分流器也具備相當多的優點，例如比較沒那么昂貴，不會受外部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。這點可以利用內含整合式DC-DC轉換器與隔離式資料通道的數位隔離器來加以克服。這使得新架構的單相位防竄改智能型電表得以實現（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行量測，因而消除竄改的顧慮。AFE2利用包含以數位隔離器為基礎隔離式電源供應IC接收電力。它利用嵌入于相同IC并采用相同技術的隔離式資料通道與MCU進行溝通。

　　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,可被應用于通訊模組上，這是因為它也需要隔離式電源供應，以及能夠穿越隔離屏障的資料通訊。

　　在與難以認證、龐大且昂貴的隔離式電源供應器相比較時，這種方案的優點相當明顯；數位隔離技術創造出最小的UL認證DC-DC轉換器。這些IC具備在溫度與機構方面的高穩定性、良好的耐化學性及靜電釋放（ESD）性能。設計廠商現在可以專注于系統設計的改善，而不必擔心隔離方面的問題。