應(yīng)用于智能電表各功能模塊的安森美半導(dǎo)體方案概覽

1 前言

在方興未艾的智能電網(wǎng)應(yīng)用中，智能電表發(fā)揮關(guān)鍵的作用。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效綠色電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，在提供應(yīng)用于智能電表的方案方面經(jīng)驗(yàn)豐富，歷史悠久。我們應(yīng)用于智能電表的電力線載波(PLC)調(diào)制解調(diào)器和電源管理產(chǎn)品在歐洲擁有成功應(yīng)用紀(jì)錄，同時(shí)我們還提供豐富的存儲(chǔ)器(EEPROM及SRAM)、時(shí)鐘、接口、保護(hù)/濾波產(chǎn)品等，構(gòu)成我們應(yīng)用于智能電表的完整解決方案。本文將介紹用于各個(gè)功能模塊的方案。

圖1 智能電表簡化框圖

2 通信模塊—PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動(dòng)器方案

智能電網(wǎng)應(yīng)用中，從智能電表到數(shù)據(jù)集中器(concentrator)這一段的網(wǎng)絡(luò)連接，通常對通信速率的要求不高，最主要的考慮因素是降低成本。電力線載波(PLC)技術(shù)因?yàn)椴恍枰~外布線及相對較低的成本，非常適合應(yīng)用于這類系統(tǒng)。而在PLC調(diào)制技術(shù)方面，復(fù)雜度低、商業(yè)應(yīng)用潛力更大及有可靠現(xiàn)場應(yīng)用記錄的S-FSK調(diào)制技術(shù)無疑是適合的選擇。

圖2 應(yīng)用于智能電表通信模塊的PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動(dòng)器方案

安森美半導(dǎo)體在開發(fā)PLC調(diào)制解調(diào)器方面擁有較長的歷史。速率1.2 kb的AMIS-30585為早前推出，最初開發(fā)時(shí)就符合IEC 61334標(biāo)準(zhǔn)(S-FSK規(guī)范)，迄今已歷經(jīng)8年的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。這器件采用PLCC-28封裝。

為了應(yīng)對客戶對更高數(shù)據(jù)率的要求，安森美半導(dǎo)體推出了AMIS-49587高集成度低功率PLC調(diào)制解調(diào)器方案。這器件支持2.4kb的更高半雙工可調(diào)節(jié)通信速率，提供PLCC-28和QFN-52等不同封裝，符合IEC61334-5-1標(biāo)準(zhǔn)。為客戶提供眾多應(yīng)用優(yōu)勢，如基于ARM7TDMI處理器內(nèi)核，同時(shí)包含物理接口收發(fā)器(PHY)和媒體訪問控制器(MAC)層，使其以單芯片方案結(jié)合了模擬調(diào)制解調(diào)器前端和數(shù)字后處理功能。設(shè)計(jì)人員使用AMIS-49587調(diào)制解調(diào)器，可以簡化設(shè)計(jì)，能更快地開發(fā)出全套互操作PLC方案，還降低開發(fā)成本。

PLC通信中的線路驅(qū)動(dòng)也非常重要，需要為應(yīng)用選擇適合的PLC線路驅(qū)動(dòng)器。這樣的線路驅(qū)動(dòng)器要求具有大輸出電流能力、低壓降、低諧波失真、寬工作溫度范圍和便于散熱等特性。安森美半導(dǎo)體針對PLC線路驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，推出了一款高能效的A/B類低失真線路驅(qū)動(dòng)器——NCS5650。NCS5650的設(shè)計(jì)經(jīng)過了優(yōu)化，接收PLC調(diào)制解調(diào)器輸送的信號，輸出段設(shè)計(jì)成能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)2A的電流，經(jīng)隔離變壓器或簡單的線圈耦合至交流主電源。NCS5650獨(dú)特的2A驅(qū)動(dòng)能力，確保在很低電力線阻抗時(shí)也可保持有效的通信。該器件除了對信號進(jìn)行功率放大外，集成的兩級運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。除了幫助減少器件數(shù)量進(jìn)而節(jié)省成本，還能夠保證系統(tǒng)對電力線的高頻干擾注入滿足EN-50065規(guī)范的要求。

3 電源管理模塊—AC-DC、DC-DC及LDO

安森美半導(dǎo)體為智能電表電源/電源管理模塊提供包括交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器/穩(wěn)壓器、直流-直流(DC-DC)開關(guān)穩(wěn)壓器/控制器和低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器等多種選擇(參見圖3和表1)，方便用戶選擇適合的電源方案。

圖3 PLC智能電表電源/電源管理模塊示意圖

在AC-DC部分，可以采用安森美半導(dǎo)體的一系列單片高壓開關(guān)穩(wěn)壓器，如NCP1014、NCP1027、NCP1051等。以NCP1014為例，這是一款低功率離線電源用自供電高壓單片開關(guān)穩(wěn)壓器，集成了1個(gè)固定頻率電流模式控制器和1個(gè)700V MOSFET，主要功能特性包括軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、短路保護(hù)、跳周期和最大峰值電流設(shè)定點(diǎn)等。

表1 適用于智能電表電源/電源管理模塊的器件列表(*預(yù)計(jì)在2010年第4季度推出)

在DC-DC部分，同樣有很多選擇，包括支持不同電流等級的開關(guān)穩(wěn)壓器以及脈寬調(diào)制(PWM)控制器等。以NCP1034為例，這是一款靈活的同步高壓PWM控制器，設(shè)計(jì)適合采用高至100V的寬輸入電源電壓范圍工作。這器件還提供1A門驅(qū)動(dòng)能力，能夠產(chǎn)生低至1.25V的輸出電壓。它的同步特性讓外部源來設(shè)定開關(guān)頻率，或輸出1個(gè)同步信號至多顆NCP1034控制器。除了NCP1034等開關(guān)穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)人員同樣可以選用安森美半導(dǎo)體的多款DC-DC低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器，如NCP562、NCP4640等。

4 存儲(chǔ)器模塊—串行EEPROM、并行EEPROM、串行SRAM及NVRAM

智能電表涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，故需要使用安全可靠的存儲(chǔ)器。安森美半導(dǎo)體提供串行可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、并行EEPROM、串行靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)和非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(NVRAM)等，詳情參見安森美半導(dǎo)體存儲(chǔ)器產(chǎn)品選型指南(見附注1)。就其中的串行EEPROM而言，也包含I2C、SPI或MicroWire等不同接口類型的產(chǎn)品，其中I2C接口產(chǎn)品中也涉及完全陣列寫保護(hù)、部分陣列寫保護(hù)及專用等不同類型，密度涵蓋從1kb到1Mb范圍。

5 時(shí)鐘模塊—NLRTC1220實(shí)時(shí)時(shí)鐘

安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供多種時(shí)鐘產(chǎn)品，包括PureEdge™系列晶體振蕩器模塊、零延遲緩沖器等。此外，安森美半導(dǎo)體還計(jì)劃在2010年第4季度推出NLRTC1220實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可配合安森美半導(dǎo)體的NCT66溫度傳感器用于智能電表(參見圖4)。