应用于智能电表各功能模块的安森美半导体方案概览

在方兴未艾的智能电网应用中，智能电表发挥关键的作用。安森美半导体身为应用于高能效绿色电子产品的首要高性能硅方案供应商，在提供应用于智能电表的方案方面经验丰富，历史悠久。我们应用于智能电表的电力线载波(PLC)调制解调器和电源管理产品在欧洲拥有成功应用纪录，同时我们还提供丰富的存储器(EEPROM及SRAM)、时钟、接口、保护/滤波产品等，构成我们应用于智能电表的完整解决方案。本文将介绍用于各个功能模块的方案。图1：智能电表简化框图。 通信模块：PLC调制解调器及线路驱动器方案智能电网应用中，从智能电表到数据集中器(concentrator)这一段的网络连接通常对通信速率的要求不高，最主要的考虑因素是降低成本。电力线载波(PLC)技术因为不需要额外布线以及相对较低的成本，非常适合应用于这类系统。而在PLC调制技术方面，复杂度低、商业应用潜力更大及有可靠现场应用记录的S-FSK调制技术无疑是适合的选择。图2：应用于智能电表通信模块的PLC调制解调器及线路驱动器方案。 安森美半导体在开发PLC调制解调器方面拥有较长的历史。速率1.2 kb的AMIS-30585为早前推出，最初开发时就符合IEC 61334标准(S-FSK规范)，迄今已历经8年的现场应用检验。这器件采用PLCC-28封装。 为了应对客户对更高数据率的要求，安森美半导体推出了AMIS-49587高集成度低功率PLC调制解调器方案。这器件支持2.4 kb的更高半双工可调节通信速率，提供PLCC-28和QFN-52等不同封装，符合IEC61334-5-1标准，为客户提供众多应用优势，如基于ARM7TDMI处理器内核，同时包含物理接口收发器(PHY)和媒体访问控制器(MAC)层，使其以单芯片方案结合了模拟调制解调器前端和数字后处理功能。设计人员使用AMIS-49587调制解调器，可以简化设计，能更快地开发出全套互操作PLC方案，还降低开发成本。 PLC通信中的线路驱动也非常重要，需要为应用选择适合的PLC线路驱动器。这样的线路驱动器要求具有大输出电流能力、低压降、低谐波失真、宽工作温度范围和便于散热等特性。安森美半导体针对PLC线路驱动应用推出了一款高能效的A/B类低失真线路驱动器——NCS5650。NCS5650的设计经过了优化，接收PLC调制解调器输送的信号，输出段设计成能够驱动高达2 A的电流，经隔离变压器或简单的线圈耦合至交流主电源。NCS5650独特的2 A驱动能力确保在很低电力线阻抗时也可保持有效的通信。该器件除了对信号进行功率放大外，集成的两级运算放大器的结构还组成了衰减特性很陡的4阶低通滤波器，除了帮助减少器件数量进而节省成本，还能够保证系统对电力线的高频干扰注入满足EN-50065规范的要求。 电源管理模块：AC-DC、DC-DC及LDO安森美半导体为智能电表电源/电源管理模块提供包括交流-直流(AC-DC)转换器/稳压器、直流-直流(DC-DC)开关稳压器/控制器和低压降(LDO)线性稳压器等多种选择(参见图3和表1)，方便用户选择适合的电源方案。   图3：PLC智能电表电源/电源管理模块示意图。 在AC-DC部分，可以采用安森美半导体的一系列单片高压开关稳压器，如NCP1014、NCP1027、NCP1051等。以NCP1014为例，这是一款低功率离线电源用自供电高压单片开关稳压器，集成了1个固定频率电流模式控制器和1个700 V MOSFET，主要功能特性包括软启动、频率抖动、短路保护、跳周期和最大峰值电流设定点等。表1：适用于智能电表电源/电源管理模块的器件列表(*预计在2010年第4季度推出)。 在DC-DC部分，同样有很多选择，包括支持不同电流等级的开关稳压器以及脉宽调制(PWM)控制器等。以NCP1034为例，这是一款灵活的同步高压PWM控制器，设计适合采用高至100 V的宽输入电源电压范围工作。这器件还提供1 A门驱动能力，能够产生低至1.25 V的输出电压。它的同步特性让外部源来设定开关频率，或输出1个同步信号至多颗NCP1034控制器。除了NCP1034等开关稳压器，设计人员同样可以选用安森美半导体的多款DC-DC低压降(LDO)线性稳压器，如NCP562、NCP4640等。 存储器：串行EEPROM、并行EEPROM、串行SRAM及NVRAM 智能电表涉及到数据存储问题，故需要使用安全可靠的存储器。安森美半导体提供串行电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、并行EEPROM、串行静态随机存取存储器(SRAM)和非易失性随机存取存储器(NVRAM)等，详情参见安森美半导体存储器产品选型指南(登录www.onsemi.cn在搜寻框中输入SGD530-D后点击搜寻即可)。就其中的串行EEPROM而言，也包含I²C、SPI或MicroWire等不同接口类型的产品，其中I²C接口产品中也涉及完全阵列写保护、部分阵列写保护及专用等不同类型，密度涵盖从1 kb到1 Mb范围。 时钟：NLRTC1220实时时钟    安森美半导体为智能电表应用提供多种时钟产品，包括PureEdge™系列晶体振荡器模块、零延迟缓冲器等。此外，安森美半导体还计划在2010年第4季度推出NLRTC1220实时时钟，可配合安森美半导体的NCT66温度传感器用于智能电表(参见图4)。 图4：NLRTC1220实时时钟在智能电表中的应用。 温度传感器：基于I²C接口的系列数字温度传感器安森美半导体提供丰富的数字温度传感器，用于热密度不断升高的智能电表设计。这些数字温度传感器将温度数据转换为数字格式，并通过I²C接口总线传送信息。温度设定点和极限也可以通过总线设计。这些信息可以用于动态校准实时时钟，提升系统精度、性能及可靠性。 以NCT1008为例，这是一款精度达±1°C的双通道数字温度传感器，适合智能电表等应用。这器件具备串联电阻消减功能，能够根据温度测量结果自动消减与温度监测二极管串联的多达1.5 kΩ，从而帮助滤除噪声。这器件还提供可配置的警示(ALERT)输出，及可扩展、可转换的温度测量范围(从默认的0°C至+127°C扩展至-64°C至+191°C)。 图5：适用于智能电表的NCT1008数字温度传感器。 除了NCT1008，安森美半导体还提供NCT66和NCT124些数字温度传感器。这两款产品计划在2010年第4季度推出，均采用I²C接口，提供±1°C的温度精度，分别采用WDFN-6和WDFN-10封装。 接口：符合标准的智能卡接口及SIM卡接口 安森美半导体为智能电表应用提供NCN6001智能卡接口。这器件符合ISO7816-3、EMV及GSM11.11标准，并且兼容于同步卡及异步卡。这器件通过简单及灵活的微控制器接口处理任何类型的智能卡，特别是由于采用内置芯片选择引脚，能够并联连接数个耦合器。这器件特别适合于低成本及低功率应用。NCN6001采用TSSOP-20或LLGA-20封装。  图6：NCN6001在智能电表中的应用电路图。 此外，安森美半导体采用QFN16封装的NCN4555 1.8 V/3.0 V SIM卡接口符合IMT-2000(即3G)标准，同时也符合ISO7816智能卡标准，适合于利用需要利用移动通信技术传输数据的智能电表应用。 保护及滤波：瞬态电压抑制器系列安森美半导体是领先的电路保护及滤波方案供应商，适用于智能电表的保护及滤波产品包括P6SMB系列齐纳瞬态电压抑制器(TVS)、1SMB系列齐纳TVS、ESD5Z系列TVS及ESD9X系列TVS。其中，P6SMB和1SMB系列均提供单向及双向保护，能够承受600 W的额定浪涌峰值功率，采用SMB封装。ESD5Z和ESD9X系列用于ESD保护，符合IEC61000-4-2 4级ESD保护标准(接触放电±30 kW；空气放电±30 kW)，分别采用SOD-523和SOD-923封装，其中SOD-923封装的尺寸仅为1.0 x 0.6 x 0.37 mm，非常适合空间受限的应用。   总结：安森美半导体身为应用于高能效绿色电子产品的首要高性能硅方案供应商，为智能电表应用提供丰富的解决方案，其中包括在欧洲拥有成功应用纪录的PLC调制解调器方案和安森美半导体具有专长的高能效电源及电源管理方案，以及各类存储器、时钟、接口、保护和滤波产品等。工程师利用安森美半导体的这些完整解决方案，可以设计可靠及高性价比的智能电表产品，在市场竞争中占据先机。 供稿：安森美半导体