安森美半導體：智能電網(wǎng)和智能電表的解決方案

智能電網(wǎng)建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡基礎之上，旨在利用先進傳感和測量技術、先進設備技術、先進控制方法，以及先進決策支持系統(tǒng)技術，實現(xiàn)電網(wǎng)可靠、 安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的高效運行。本文將談及智能電網(wǎng)及智能電表市場，并介紹作為應用于綠色電子產品的首要高性能、高能效硅方案供應商安森美半導體的智能電網(wǎng)及智能電表解決方案。

高速發(fā)展的智能電網(wǎng)及智能電表市場在綠色節(jié)能意識的推動下，以智能電表為核心的智能電網(wǎng)成為世界各國競相發(fā)展的一個重點領域。發(fā)展智能電網(wǎng)也能讓公用事業(yè) 機構及用戶受益。如智能電網(wǎng)可幫助電力機構降低運營支出、減少竊電、優(yōu)化運營及即時響應用戶需求等。用戶也有機會享受到更靈活的定價，因網(wǎng)絡計量節(jié)省成本 及幫助實現(xiàn)家庭自動化等。此外，智能電網(wǎng)的發(fā)展還面臨其它一些有利因素，如管制放松加劇競爭、各種無線標準(ZigBee、PLC、Wi-Fi、 WiMax和蜂窩移動通信等)爭相涌現(xiàn)等。

在這些有利因素的推動下，智能電網(wǎng)的發(fā)展前景頗受看好。以智能電表為例，預計全球出貨將從2008年的僅數(shù)百萬部增長至2014年的約5,000萬部，年 復合增長率(CAGR)高達48%。而從技術趨勢來看，未來將超向雙向實時通信、開放式平臺/模塊化服務。系統(tǒng)集成也將是重要的未來趨勢，預計可更新、插 電式混合動力汽車(PHEV)以及家庭自動化等將集成到智能電網(wǎng)系統(tǒng)之中。智能電表也將超向采用先進計量體系(AMI)，并成為未來家庭區(qū)域網(wǎng)絡 (HAN)的組成部分。

安森美半導體基于AMIS-49587和NCS5650的智能電表解決方案用于電能輸送的中低壓交流配電線也可作為數(shù)據(jù)通信的傳輸介質。電力線載波(PLC)通信技術就是通過載波方式在配電線上高速傳輸模擬或數(shù)字信號的技術。利用已有的電力配電網(wǎng)絡進行通信不需要重新布線，信號不會因為通過建筑物墻 壁被衰減和屏蔽，成本更為低廉，這使該技術在電表自動抄表系統(tǒng)、燈光控制等諸多領域備受青睞。

安森美半導體針對低/中壓電力線數(shù)據(jù)通信開發(fā)了擴頻型移頻鍵控(S-FSK)PLC調制解調器(Modem)——AMIS-49587。它是一個高集成 度、符合IEC61334標準的低功率PLC方案，適用于智能電網(wǎng)自動讀表及管理、街道照明控制、智能電力插頭(powerplug)和建筑物自動化等。 這是安森美半導體既早期的AMIS-30585之后發(fā)展到第二代PLC調制解調器產品，其核心是一個32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運 行S-FSK調制解調的算法，同時也管理與外部MCU的通信。該器件包含了所有S-FSK信號處理、MCU接口管理等模擬、數(shù)字部分。AMIS- 49587支持先進計量體系(AMI)，用于公用事業(yè)機構與電表之間的雙向通信，支持遠程讀表、斷開開關連接及負載控制。目前全球26.5億部電表中僅有 約8%是自動化電表，故AMIS-49587這樣的支持智能電表應用的調制解調器芯片應用前景非常廣闊。

AMIS-49587是采用S-FSK調制方式及精確濾波的窄帶PLC收發(fā)器，可實現(xiàn)長距離電力線的強固低數(shù)據(jù)率通信，以及2,400bps的半雙工可調 節(jié)速率通信。不到20kHz的低工作頻率及自動中繼器(repeater)功能，令通信更加可靠，通信誤差比現(xiàn)有方案更低。該器件是目前唯一在工業(yè)現(xiàn)場有 超過8年的成功應用驗證的器件。

AMIS-49587利用安森美半導體的混合信號技術，在一個集成電路中集成了模擬調制解調器前端和數(shù)字后處理功能。其最突出的特點在于，作為PLC收發(fā) 器，除了完成物理層S-FSK信號的收發(fā)、調制解調外，它還包含了媒體訪問控制器(MAC)子層的處理，使設計人員無需涉及PHY和MAC協(xié)議傳輸細節(jié)問 題，把更多精力放在應用層的開發(fā)，而大多數(shù)競爭方案需要復雜的嵌入式軟件來執(zhí)行與AMIS-49587相同的功能。

通過AMIS-49587進行邏輯鏈路層(LLCLayer)數(shù)據(jù)包的交換，底層的幀頭、幀校驗等都會自動添加。這在很大程度上減少了客戶軟件開發(fā)工作 量，簡化了設計，降低了開發(fā)及應用成本，并加速上市進程。這些優(yōu)勢使AMIS-49587成為完全滿足智能電網(wǎng)技術要求的PLC通信核心器件。

此外，安森美半導體也為智能電表PLC線路驅動應用推出一款高能效的A/B類低失真線路驅動器——NCS5650。這器件的電源電壓(VCC)為單端6至 12V或雙平衡±3.0至6.0V。NCS5650的設計經(jīng)過了優(yōu)化，接收PLC調制解調器輸送的信號，輸出段設計成能夠驅動高達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符合PLC線路驅動器的應用要求，提供重要的應用優(yōu)勢。如這器件針對歐洲電工標準化委員會(CENELEC)用于智能電表的A、B、C和D 頻段進行了優(yōu)化，符合EN-50065規(guī)范，可用于直接耦合或按1：1、2：1變壓比耦合。NCS5650獨特的2A驅動能力確保在很低電力線阻抗時也可 保持有效的通信。

NCS5650在電氣性能上也頗具優(yōu)勢。兩級運算放大可以實現(xiàn)700kHz的全功率帶寬，諧波失真也很低，僅為0.015%/1kHz。這器件的功耗也很 低，軌到軌壓差僅為0.5V，靜態(tài)電流僅為20mA，關斷模式下的電流僅為150A。

圖1是采用AMIS-49587的PLC解決方案框圖。該方案主要由PLCModem、AMIS-49587、驅動放大器NCS5650及耦合變壓器組成。

圖中紅色箭頭為PLC信號的發(fā)送路徑。AMIS-49587調制出的S-FSK信號由NCS5650放大后經(jīng)變壓器耦合到電力線上。變壓器實現(xiàn)電壓變換和 阻抗匹配，也可用于強弱電的隔離。NCS5650除了信號功率放大外，其兩級運放結構還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。在對電力線接入設備有嚴格限 制的歐洲，只有增加類似的濾波器，才能保證系統(tǒng)對電力線的高頻干擾注入滿足EN50065規(guī)范的要求。

藍色箭頭表示接收路徑。變壓器從電力線耦合過來的信號經(jīng)AMIS-49587內置放大器構成的低通濾波器由內部ARM進行FSK解調分析。圖中黑色箭頭是 50Hz的過零檢測信號引腳。系統(tǒng)依靠這個信號進行同步定時。圖中藍色虛線內是電表內的應用處理器，負責應用層處理通信及計量。