安森美智能電表電源管理及強(qiáng)固的電力線通信方案

在大力倡導(dǎo)綠色能源的今天，相信大家對(duì)“智能電表”已不陌生。智能電表在推動(dòng)資源可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。在各國政府的積極部署下，智能電表正以迅猛之勢(shì)取代傳統(tǒng)電表。

智能電表：更智能的未來

從根本上說，電表是電力公司用以測(cè)量居民用電量從而計(jì)算電費(fèi)的設(shè)備。從首只傳統(tǒng)的千瓦/時(shí)電表到機(jī)電一體化感應(yīng)式電表，再到后來的電子電表，乃至到當(dāng)今先進(jìn)的智能電表，它們的根本用途都沒有改變。

可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為，智能電表相當(dāng)于向傳統(tǒng)電表添加“智能”特性。智能電表的雙向通信能力有助于居民和電力公司更好地了解用電情況并節(jié)省成本。智能電表配備家用LCD顯示屏，用戶由此可得到他們按天、周、月或年的不同時(shí)間的用電情況的實(shí)時(shí)反饋，從而可充分利用各種用電計(jì)劃來節(jié)省開支;另一方面，智能電表自動(dòng)按月將家庭電表讀數(shù)匯報(bào)給電力公司，而不需派“抄表員”上門抄取，為電力公司降低人力成本。

智能電表較傳統(tǒng)電表提升了用電情況的能見度與管理性，節(jié)省了成本，而且其安全性和數(shù)據(jù)可靠性已經(jīng)過全面測(cè)試，用戶既可用更省電的方式用電，也不再超額支付電費(fèi)。智能電表的雙向通信能力也為建設(shè)智能電網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)，為我們構(gòu)建更智能的未來，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展。

智能電表怎樣工作?

簡(jiǎn)言之，智能電表發(fā)送電表讀數(shù)給電力公司就像我們從手機(jī)發(fā)送信息。

智能電表全天記錄用電量并用內(nèi)存安全存儲(chǔ)，在收到發(fā)送信息的請(qǐng)求后，將數(shù)據(jù)通過無線或電力電纜從電表路由至收集設(shè)備或變電站。電力線通信(PLC)或無線網(wǎng)等通信基礎(chǔ)設(shè)施是智能電表向電力公司傳輸可靠數(shù)據(jù)的途徑。

安森美半導(dǎo)體智能電表方案

安森美半導(dǎo)體致力于推動(dòng)高能效創(chuàng)新，充分利用行業(yè)領(lǐng)先的專知和豐富的經(jīng)驗(yàn)，提供用于智能電表方案的豐富產(chǎn)品陣容，包括電源管理IC、PLC調(diào)制解調(diào)器、ZigBee產(chǎn)品、小信號(hào)二極管及晶體管、高壓開關(guān)、整流器、高壓快速IGBT、MOSFET、內(nèi)存、接口、溫度傳感器、控制器、專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)、邏輯等等，接下來我們將重點(diǎn)介紹電源管理方案和電力線通信產(chǎn)品。

1.創(chuàng)新的電源管理方案助智能電表實(shí)現(xiàn)更高工作能效

智能電表要求電源管理模塊提供：

-靈活的接口支持寬輸入電壓范圍

-在所有負(fù)載條件下提升能效

-能承受故障情況的產(chǎn)品， 如更高輸入電壓或在3相網(wǎng)絡(luò)中意外的兩相連接等情況以及更多類似情況，以測(cè)試智能電表在不同條件的可靠性

-改善整體負(fù)載的抗電磁干擾

-消除噪聲

-基于輸出功率要求調(diào)整輸出電流保護(hù)的能力

為此，安森美半導(dǎo)體提供3個(gè)工業(yè)級(jí)的方案用于智能電表電源管理實(shí)現(xiàn)更高工作能效。

方案1：NCP107X系列

安森美半導(dǎo)體的NCP107x系列 (圖1)是帶700 V開關(guān)的共源共柵(Cascode)，它將雙450 V輸入與電流平衡串聯(lián)，是具齊納基準(zhǔn)的Cascode方案，提供高集成度、短路保護(hù)、最大峰值電流設(shè)定點(diǎn)和斜率補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)自供(無需輔助繞線)，專用于當(dāng)輸出功率需求減弱，IC自動(dòng)進(jìn)入頻率反走模式并提供輕載時(shí)的極高能效，而當(dāng)功率需求進(jìn)一步減弱，它進(jìn)入跳周期模式以降低待機(jī)能耗至空載情況。

圖1：NCP107X系列

方案2：NCP125X系列

安森美半導(dǎo)體的脈寬調(diào)制(PWM)系列NCP125X(圖2)，它集成了1000 V MOSFET和PWM控制器，將雙450 V輸入與電流平衡串聯(lián)，而分離的帶控制器的高壓?jiǎn)我籑OSFET取代了Cascode，該系列電路的關(guān)鍵特性包括：頻率反走以保持輸出負(fù)載條件、限制最大傳輸功率而不影響待機(jī)性能、跳周期運(yùn)行改進(jìn)抗電磁干擾性能等等。

圖2：NCP125X系列

方案3：專利的電源管理方案

智能電表有特定要求來支持3相和打開與高達(dá)450 V的寬輸入范圍的中性連接。安森美半導(dǎo)體已開發(fā)出新型預(yù)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)電源IC使用以滿足智能電表的要求。該方案在主電源和開關(guān)電源之間添加了一個(gè)200 V的穩(wěn)壓器以減少250 V大容量輸入電容，且電源支持高壓供電和3相，是安森美半導(dǎo)體的專利。由于電源電壓降低，更大的反射電壓能力可提供更高的變壓器設(shè)計(jì)能力，開關(guān)損耗減小提升了抗電磁干擾的性能，而緩沖器尺寸減小、耗散降低，開關(guān)電源能效得以全面提升，并節(jié)省整體系統(tǒng)級(jí)成本。

圖3：安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新的電源管理方案

2.電力線通信方案：S-FSK調(diào)制解調(diào)器，強(qiáng)固且兼容相關(guān)通信協(xié)議

電力線通信(PLC)是一種通過現(xiàn)有電纜發(fā)送數(shù)據(jù)的先進(jìn)的通信技術(shù)，它載送導(dǎo)體上的數(shù)據(jù)，同時(shí)用于交流電力傳輸或向用戶配電。由于能通過相同線路同時(shí)傳輸電力及數(shù)據(jù)，因此 PLC 技術(shù)無需使用額外線路與設(shè)備互聯(lián)，有助于減少布線復(fù)雜度，降低成本，是智能電表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表的一種主流技術(shù)。一個(gè)PLC節(jié)點(diǎn)由一個(gè)調(diào)制解調(diào)器芯片和一個(gè)電力線驅(qū)動(dòng)器組成。PLC系統(tǒng)通過向布線系統(tǒng)添加調(diào)制的載波信號(hào)來工作。安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587是針對(duì)PLC應(yīng)用而開發(fā)的窄帶PLC收發(fā)器，它符合IEC1334標(biāo)準(zhǔn)，使用S-FSK調(diào)制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)長距離電力線的強(qiáng)固低數(shù)據(jù)率通信，用于50 Hz的主電源頻率，包含從PHY到MAC的完整的協(xié)議層處理，其中PHY專用于以可編程間隔的S-FSK調(diào)制(可編程的半雙工數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)2400波特，可編程載波范圍為9 kHz-115 kHz，步幅10 Hz，可編程的擴(kuò)頻分離的典型值為10 kHz，極其強(qiáng)固的鎖相環(huán)路(PLL)的動(dòng)態(tài)范圍為104 dB)，采用嵌入式ARM處理器用于先進(jìn)濾波和實(shí)現(xiàn)MAC，支持同步傳輸，并可按照“可信值” 的中繼級(jí)數(shù)管理進(jìn)行信息傳輸，提供同類最佳的模擬解調(diào)鏈，其出色的抗噪性能和輸入靈敏度可實(shí)現(xiàn)極其強(qiáng)固的傳輸，它還符合IEC61334-5-1/EN 50065標(biāo)準(zhǔn)和特定的法國配電公司(ERDF)的要求，電源工作電壓3.3 V，串行通信接口(SCI)可與應(yīng)用微控制器連接，且提供4種可選的波特率SCI(4.8 kb, 9.6 kb, 19.2 kb, 38.4 kb)?？偠灾珹MIS-49587符合相關(guān)通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸高效可靠，參數(shù)靈活，易于設(shè)計(jì)，開發(fā)及應(yīng)用成本低廉，是用于智能電表PLC技術(shù)的理想選擇。

圖4：AMIS-49587應(yīng)用示例

結(jié)語

智能電表是推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，為智能電網(wǎng)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。安森美半導(dǎo)體提供全面的用于智能電表的方案陣容，特別地，其創(chuàng)新的專利型電源管理方案助設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)智能電表的更高工作能效，而S-FSK調(diào)制解調(diào)器AMIS-49587作為業(yè)界公認(rèn)的具強(qiáng)固調(diào)制技術(shù)的IC，是用于長距離電力線的低數(shù)據(jù)率通信應(yīng)用的理想選擇。