安森美半導(dǎo)體配合智能電網(wǎng)及智能家庭趨勢(shì)的工業(yè)通信及安全保護(hù)方案

如今，全球能源需求不斷增加，加速消耗現(xiàn)有資源，促使各國(guó)政府制定更積極的節(jié)能目標(biāo)和更嚴(yán)格的高能效標(biāo)準(zhǔn)，由此產(chǎn)生一系列的積極影響。如傳統(tǒng)低能效的白熾燈照明正加速向LED照明過(guò)渡，傳統(tǒng)電網(wǎng)向的智能電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡，傳統(tǒng)汽車向電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車過(guò)渡，以及高能效電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)越來(lái)越受重視。

以智能電網(wǎng)為例，它是完全自動(dòng)化的分布式供電系統(tǒng)(從發(fā)電到用電)，集成了雙向通信智能電表及信息技術(shù)，旨在提升能效及可持續(xù)的電力服務(wù)。智能電網(wǎng)涉及電力、通信及應(yīng)用等多個(gè)層次，涵蓋家庭區(qū)域網(wǎng)(HAN)、鄰域網(wǎng)(NAN)和廣域網(wǎng)(WAN)等不同類型。雙向通信智能電表的部署，有助于推動(dòng)以HAN為基礎(chǔ)的智能家庭市場(chǎng)的增長(zhǎng)。消費(fèi)者重視通過(guò)智能手機(jī)及平板電腦進(jìn)行任務(wù)操作的便利性，智能家庭的趨勢(shì)就是使消費(fèi)者能夠透過(guò)這些設(shè)備來(lái)控制家中智能電器。應(yīng)用智能技術(shù)的電器制造商能夠提供家庭能源管理服務(wù)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作。消費(fèi)者也需要根據(jù)智能電表及公用事業(yè)機(jī)構(gòu)浮動(dòng)收費(fèi)來(lái)認(rèn)識(shí)智能電器的顯著節(jié)電價(jià)值。

圖1：智能電網(wǎng)概念示意圖。

安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商，積極推動(dòng)高能效創(chuàng)新，為智能電網(wǎng)、智能家庭、智能樓宇控制等應(yīng)用提供多種通信及安全保護(hù)方案。

1) 智能電表PLC通信方案

在智能電網(wǎng)中，雙向通信的智能電表發(fā)揮關(guān)鍵作用，一方面幫助電力機(jī)構(gòu)精確了解用戶的用電規(guī)律，為高峰用電或低谷用電設(shè)定差異化的電價(jià)，另一方面，用戶也可以合理調(diào)整自己的用電計(jì)劃，從而優(yōu)化電費(fèi)支出。智能電表包含不同功能模塊，除了電源和計(jì)量模塊外，還涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，需采用安全可靠的存儲(chǔ)器;此外，雙向?qū)崟r(shí)通信是智能電網(wǎng)的重要特征，故通信模塊至關(guān)重要，需要選擇適合的通信方式及相應(yīng)的最佳解決方案。

圖2：智能電表關(guān)鍵功能模塊。

就家庭或建筑物中的智能電表到數(shù)據(jù)集中器(concentrator)就這一段的網(wǎng)絡(luò)連接而言，它們通常對(duì)通信速率的要求不高，最主要的考慮因素是降低成本。常見(jiàn)的通信方式有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，或有線的電力線載波(PLC)或電力線寬帶(BPL)等。具體采用何種通信方式，需要考慮各國(guó)電網(wǎng)實(shí)際狀況等因素，同時(shí)先行先試國(guó)家的做法也會(huì)提供借鑒意義。

就安森美半導(dǎo)體而言，我們與數(shù)家大型歐洲及亞洲電表和公共事業(yè)機(jī)構(gòu)建立有悠久的協(xié)作及公共合作關(guān)系，幫助我們針對(duì)特定終端市場(chǎng)定義及調(diào)整器件設(shè)計(jì)。我們?cè)谑澜绺鞯仉姳響?yīng)用中部署了500多萬(wàn)個(gè)PLC器件，包括法國(guó)EDF旗下公司法國(guó)配電公司(ERDF)的Linky智能電表項(xiàng)目，以及中國(guó)上海外灘基于PLC的智能路燈方案中。

圖3：使用安森美半導(dǎo)體PLC調(diào)制解調(diào)器方案的典型自動(dòng)抄表(AMR)應(yīng)用。

安森美半導(dǎo)體的PLC產(chǎn)品及方案包括AMIS49587、NCN49597等調(diào)制解調(diào)器，NCS5650功率放大器，以及集成了PLC調(diào)制解調(diào)器和功率放大器的NCN49599系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)等。其中，NCS5650提供市場(chǎng)上最高的PLC驅(qū)動(dòng)能力，NCN49597和NCN49599提供重要突破及可用于后續(xù)產(chǎn)品的方案。安森美半導(dǎo)體的PLC調(diào)制解調(diào)器系列符合公用事業(yè)機(jī)構(gòu)要求，符合IEC61334-5-1標(biāo)準(zhǔn)，提供不同供應(yīng)商之間的互操作性能力。

以NCN49599為例，這器件為窄帶PLC通信提供整體方案。NCN49599集成了低能耗32位ARM Cortex M0處理器及高精度模擬前端和AB類功率放大器，成本更低，用于智能電表/分體式電表、建筑物自動(dòng)化、太陽(yáng)能發(fā)電、路燈及工業(yè)控制等應(yīng)用。NCN49599基于雙4,800波特S-FSK通道技術(shù)，提供市場(chǎng)上最高的每通道波特率，優(yōu)化了能效和性能，同時(shí)提供極佳的強(qiáng)固性和可靠性。它包含可編程嵌入式軟件(32 kB)，可配合現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，并能夠嵌入客戶專用協(xié)議及要求。它提供現(xiàn)成的IEC61334-5-1及定制PL110(PHY+MAC+LLC)堆棧，支持多種標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用。這器件提供多載波選擇，用于提供更高速度及強(qiáng)固性。NCN49599支持Cenelec A至D頻段可編程載波頻率，支持150 kHz的更寬頻段，用于智能電網(wǎng)應(yīng)用。這器件包含10個(gè)GPIO，易于連接至LED、LCD、儀表IC等外設(shè)。它采用QFN56 8 x 8 mm封裝，支持-40至+125℃的結(jié)點(diǎn)溫度范圍。

圖4：NCN49599 S-FSK PLC調(diào)制解調(diào)器典型應(yīng)用電路圖。

2) 遠(yuǎn)程抄表M-Bus方案

在智能家庭及工業(yè)市場(chǎng)，遠(yuǎn)程抄表應(yīng)用快速增長(zhǎng)。安森美半導(dǎo)體配合這應(yīng)用需求，推出用于雙線式儀表總線(M-BUS)從機(jī)及中繼器的NCN5150單芯片集成從收發(fā)器，用于多能源、供暖/冷氣表、水表、燃?xì)獗淼葢?yīng)用。這收發(fā)器利用安森美半導(dǎo)體先進(jìn)的混合信號(hào)技術(shù)訣竅，為這些應(yīng)用提供所要求的性能等級(jí)，不僅符合標(biāo)準(zhǔn)，還提供強(qiáng)固性、高能效、速度和靈活性。

圖5：M-Bus應(yīng)用示意圖。

NCN5150提供符合描述M-BUS物理層要求的EN 13757-2和EN 1434-3標(biāo)準(zhǔn)所要求的全部功能，提供達(dá)38,400波特(baud)的通用異步接收器/發(fā)射器(UART)通信速度，包含達(dá)2個(gè)單位負(fù)載(SOIC封裝版本)或6個(gè)單位負(fù)載(QFN封裝版本)的可編程功率等級(jí)，可通過(guò)集成的3.3 V低壓降(LDO)穩(wěn)壓器用于外部電路。低內(nèi)部能耗使應(yīng)用中傳感器能夠獲得更多電能，而低壓總線工作(低至9.2 V)配合在擴(kuò)展型M-BUS網(wǎng)絡(luò)中工作。

圖6：針對(duì)遠(yuǎn)程抄表應(yīng)用的NCN5150單芯片集成M-Bus從收發(fā)器典型應(yīng)用電路圖。

NCN5150提供SOIC-16及QFN-20封裝選擇。SOIC-16與當(dāng)前市場(chǎng)上已有器件引腳對(duì)引腳兼容，外加多處性能提升。QFN封裝的尺寸使其非常適用于數(shù)量不斷增長(zhǎng)的空間受限型應(yīng)用。 NCN5150提供-40 °C至+85 °C的寬工作溫度范圍，使其非常適用于各種通常不可預(yù)測(cè)的工作環(huán)境。這器件與極性無(wú)關(guān)，其它關(guān)鍵特性包括掉電保護(hù)功能、快速啟動(dòng)，并能夠配合從總線或外部電源為從設(shè)備供電。

3) 家居及樓宇自動(dòng)化控制KNX收發(fā)器方案

KNX是一種針對(duì)各種家居及樓宇控制應(yīng)用的全球性標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋從照明及百葉窗控制到各種保安系統(tǒng)、供暖、通風(fēng)、空調(diào)、監(jiān)視、報(bào)警、水控制、能源管理、儀表及家用電器、音響等應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體推出了用于KNX雙絞線網(wǎng)絡(luò)((KNX TP1-256))的NCN5120收發(fā)器，用于處理總線上的數(shù)據(jù)發(fā)射和接收，支持連接建筑物網(wǎng)絡(luò)中的致動(dòng)器(actuator)、傳感器、微控制器、開(kāi)關(guān)或其它應(yīng)用。

圖7：NCN5120 KNX收發(fā)器產(chǎn)品及應(yīng)用示意圖。

NCN5120內(nèi)置混合信號(hào)技術(shù)，在單片集成電路(IC)中集成了模擬前端、數(shù)字處理能力及電源功能。集成的KNX EIB收發(fā)器包含嵌入式物理層(PHY)及媒體存取控制器(MAC)層，提供9,600波特通信速度(TP1)，可選擇KNX總線電流斜坡，并且提供KNX總線電壓監(jiān)控功能。NCN5120還提供20 V穩(wěn)壓器及兩個(gè)高能效DC-DC轉(zhuǎn)換器，從總線產(chǎn)生3.3 V固定電壓及可調(diào)節(jié)的3.3 V至21 V穩(wěn)壓電壓，各自的驅(qū)動(dòng)電流能力均為100毫安(mA)。

這收發(fā)器適合大功率應(yīng)用，其設(shè)計(jì)旨在減少外圍器件，成本更低，還支持安全及可靠地耦合至總線，因?yàn)樗邆淇蛇x擇扇入(fan-in)模式、總線電壓及溫度監(jiān)測(cè)等特性。NCN5120的其它重點(diǎn)特性和優(yōu)勢(shì)包括：發(fā)送數(shù)據(jù)幀緩沖、可選自動(dòng)確認(rèn)、支持模擬模式、支持休眠模式、可選擇UART或SPI接口、可選擇至主控制器的波特率、完整的時(shí)鐘系統(tǒng)(采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)低成本16 MHz石英工作，能為外部MCU產(chǎn)生8/16 MHz時(shí)鐘)等。這器件采用QFN40 6x6 mm封裝，工作溫度范圍為-25℃至+85℃。

4) 符合UL943安全保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的GFCI信號(hào)處理器

接地故障斷路器(GFCI)是針對(duì)北美地區(qū)法規(guī)要求的一種特殊保護(hù)設(shè)備，用于防止觸電事故風(fēng)險(xiǎn)，被要求用于檢測(cè)接地-中性故障(三線)。GFCI的參考標(biāo)準(zhǔn)是UL943，涵蓋美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。而在歐洲等地區(qū)，法規(guī)要求使用殘余電流保護(hù)裝置(RCD)來(lái)降低觸電事故及著火風(fēng)險(xiǎn)。RCD的參考標(biāo)準(zhǔn)是IEC 61008及IEC 61009，涵蓋歐洲標(biāo)準(zhǔn)。GFCI和RCD的工作原理都是感測(cè)火線和中線導(dǎo)線電流之差，并在超過(guò)閾值的條件下觸發(fā)斷路器/開(kāi)關(guān)。

安森美半導(dǎo)體提供NCS370xx系列GFCI信號(hào)處理器，用于火線-中性-地線保護(hù)。這系列器件采用專有測(cè)量方法，提供高集成度方案，幫助減少外圍元件數(shù)量，控制成本，尤其是可以減少額外的電流互感器。NCS370xx提供優(yōu)異的抗噪性能，提供LED及蜂鳴器選擇，能夠觸發(fā)指示器/負(fù)載監(jiān)視，其響應(yīng)時(shí)間取決于故障電流。這系列器件目前包括NCS37000、NCS37005、NCS37010、NCS37012及NCS37007ST RCD等，其簡(jiǎn)要功能簡(jiǎn)介如表1所示。

表1：安森美半導(dǎo)體NCS370xx系列GFCI產(chǎn)品功能概覽。

總結(jié)：

安森美半導(dǎo)體為智能電網(wǎng)、智能家庭、智能樓宇控制等應(yīng)用提供豐富的產(chǎn)品及方案。本文重點(diǎn)介紹了安森美半導(dǎo)體用于此類應(yīng)用的PLC通信方案、遠(yuǎn)程抄表M-Bus從收發(fā)器方案、樓宇自動(dòng)化控制KNX收發(fā)器方案以及安全保護(hù)方案，幫助設(shè)計(jì)工程師開(kāi)發(fā)配合智能電網(wǎng)及智能家庭/樓宇自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的產(chǎn)品，從而在市場(chǎng)上占據(jù)更有利位置。