隨著未來消費者對傳統式機械電表的汰換更新，預估智慧型電表市場將會以每年兩位數的速度成長。智慧型電表採用最新的積體電路(IC)技術以進行精確的測量及回報消耗電量。相較於機械式電表，智慧型電表較為精密且更注重測量資料的完整性，而準確的資料更會直接影響公共事業供應者的結算收入。在智慧型電表設計中確保資料完整性最有效的解決辦法之一就是使用最先進的數位隔離技術。
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| 圖1 具有數位通訊匯流排的智慧型電表 |
智慧型電表使用電流隔離來保護內部低電壓IC，也使工作人員避免暴露在高壓電線下。在有線計量應用中，如高密度分布的住宅區，隔離器也可用於隔離控制器和數位資料匯流排(圖1)。
其他子系統，特別是那些暴露在高電壓下的部分，也必須進行隔離電路。例如，需要在智慧型電表控制器IC和電力線通訊(PLC)數據機之間進行電流隔離。這些系統中訊號隔離可以採用多種方式實現。
光耦合器受限CMTI效能
光耦合器常用於智慧型電表中的訊號隔離，但它們的使用正面臨著設計挑戰，其主要的缺點是受到光耦合器共模瞬變抑制能力(CMTI)的限制。CMTI是一個隔離能力的度量衡，代表在隔離閘輸入和輸出端抑制快速瞬變雜訊的能力。由於光隔離器的物理結構所致，它們往往有較高的寄生輸入輸出電容(一般在pF級)。高的內部寄生耦合電容會導致CMTI效能變差(圖2)。
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| 圖2 共模瞬變影響光耦合器訊號，造成資料錯誤 |
光耦合器廠商通常建議客戶，在光耦合器打開時須要驅動光耦合器發光二極體(LED)來提升抗噪訊能力，反之，在光耦合器關閉時須反向偏置LED。這些措施會增加光耦合器的CMTI，但也降低元件壽命，並且影響系統的可靠性和增加維護成本。
隔離變壓器易受電磁干擾
智慧型電表應用中所使用的另一種隔離解決方案是採用隔離變壓器，但變壓器一般應避免使用，因為它們容易受到電磁干擾(EMI)而破壞資料。脈衝變壓器也不理想，因為它須要占用較寬的頻寬，而頻寬對於數位訊號傳輸極為重要。
有兩大原因使得電磁(EM)抑制力成為電表設計的主要考量因素。首先，電表有較高的機率被安裝於受電磁干擾的環境。其次，一些隔離技術可能是電表系統應用中最薄弱的環節。例如，基於變壓器的系統受到外部磁場干擾會對資料的完整性產生不良影響，事實上也曾有過由於裝設磁鐵或線圈到設備而影響電表正常工作的案例。在這兩種情況下，外部磁場或電磁場雜訊將導致錯誤測量資料提交到控制器。
CMOS數位隔離器截長補短
新型的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)數位隔離器克服智慧型電表應用中的上述問題。與光耦合器相比，基於CMOS數位隔離器可提供相當高的CMTI效能，同時保證更長的工作壽命和更高的可靠性。例如，芯科實驗室(Silicon Labs)Si84xx CMOS數位隔離器系列可滿足於一般CMTI規格25kV/μs，其新一代的隔離器預計將比現有產品的效能水準提高兩倍。
就電磁場效能而言，CMOS數位隔離器大大優於其他隔離技術。例如，Si84xx隔離器具有市面上數位隔離器中最高的EMI耐受性(大於300V/m的電場抗干擾度，和大於1,000A/m的磁場抗干擾度)。這些數位隔離器經由差動訊號在隔離閘中進行資料傳輸，成對的窄頻濾波提供極佳的共模雜訊抑制能力(圖3)。
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| 圖3 差動訊號和窄頻數位接收器抑制數位隔離器中的共模雜訊 |
此外，基於CMOS的隔離器實現最小尺寸，有助於防止隔離器成為雜散磁場的天線。避免使用變壓器是為了讓系統維持高水準的磁場免疫能力。
隨著智慧型電表在全球智慧電網的建構上日漸普及，電表的安裝環境有時不易因地制宜，這增加測量資料損壞的可能性。電表內的任一元件都會受到電雜訊或電磁場的影響而成為系統完整性中的薄弱環節。這些元件有可能損壞智慧型電表控制器的資料，並使得計費資訊無效。
務求測量資料正確性
儘管光耦合器和變壓器隔離技術已被廣泛使用，但這些解決方案皆有明顯的缺點，在電表應用中應受到關注。CMOS數位隔離器提供最佳的解決方案，以及良好的電雜訊和外部磁場抑制力。在智慧型電表中採用CMOS數位隔離器，可確保電力測量資料通過隔離閘且精確地傳送至系統控制器。
(本文作者為芯科實驗室隔離器產品經理)