智能電網(wǎng)建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，旨在利用先進傳感和測量技術(shù)、先進設(shè)備技術(shù)、先進控制方法，以及先進決策支持系統(tǒng)技術(shù)，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(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商安森美半導(dǎo)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(lǐng)域。發(fā)展智能電網(wǎng)也能讓公用事業(yè)機構(gòu)及用戶受益。如智能電網(wǎng)可幫助電力機構(gòu)降低運營支出、減少竊電、優(yōu)化運營及即時響應(yīng)用戶需求等。用戶也有機會享受到更靈活的定價，因網(wǎng)絡(luò)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(yù)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(fù)合增長率(CAGR)高達48%。而從技術(shù)趨勢來看，未來將超向雙向?qū)崟r通信、開放式平臺/模塊化服務(wù)。系統(tǒng)集成也將是重要的未來趨勢，預(yù)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(luò)(HAN)的組成部分。
安森美半導(dǎo)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(zhì)。電力線載波 (PLC) 通信技術(shù)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(shù)。利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)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(shù)在電表自動抄表系統(tǒng)、燈光控制等諸多領(lǐng)域備受青睞。
安森美半導(dǎo)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(diào)制解調(diào)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(power plug)和建筑物自動化等。這是安森美半導(dǎo)體既早期的AMIS-30585之后發(fā)展到第二代PLC調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)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(diào)制解調(diào)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(gòu)與電表之間的雙向通信，支持遠程讀表、斷開開關(guān)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(yīng)用的調(diào)制解調(diào)器芯片應(yīng)用前景非常廣闊。
AMIS-49587是采用S-FSK調(diào)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2,400 bps的半雙工可調(diào)節(jié)速率通信。不到20 kHz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(yīng)用驗證的器件。
AMIS-49587利用安森美半導(dǎo)體的混合信號技術(shù)，在一個集成電路中集成了模擬調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)外，它還包含了媒體訪問控制器(MAC)子層的處理，使設(shè)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(yīng)用層的開發(fā)，而大多數(shù)競爭方案需要復(fù)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(LLC Layer)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(shè)計，降低了開發(fā)及應(yīng)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(shù)要求的PLC通信核心器件。
此外，安森美半導(dǎo)體也為智能電表PLC線路驅(qū)動應(yīng)用推出一款高能效的A/B類低失真線路驅(qū)動器——NCS5650。這器件的電源電壓(VCC)為單端6至12 V或雙平衡±3.0至6.0 V。NCS5650的設(shè)計經(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)計成能夠驅(qū)動高達2 A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(qū)動器的應(yīng)用要求，提供重要的應(yīng)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2 A驅(qū)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)700 kHz的全功率帶寬，諧波失真也很低，僅為0.015 % @ 1 kHz。這器件的功耗也很低，軌到軌壓差僅為0.5 V，靜態(tài)電流僅為20 mA，關(guān)斷模式下的電流僅為150 µA。
圖1是采用AMIS-49587的PLC解決方案框圖。該方案主要由PLC Modem、AMIS-49587、驅(qū)動放大器NCS5650及耦合變壓器組成。
圖1：采用AMIS-49587和NCS5650的PLC解決方案
圖中紅色箭頭為PLC信號的發(fā)送路徑。AMIS-49587調(diào)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(jié)構(gòu)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(shè)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EN 50065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(nèi)置放大器構(gòu)成的低通濾波器由內(nèi)部ARM進行FSK解調(diào)分析。圖中黑色箭頭是50 Hz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(nèi)是電表內(nèi)的應(yīng)用處理器，負責應(yīng)用層處理通信及計量。
該方案的供電十分簡單：一路12V電源為線路放大器供電，用于驅(qū)動PLC信號耦合變壓器；一路3.3V電源給AMIS-49587供電。
安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表的完整解決方案
安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表的方案包含一系列標準產(chǎn)品、專用標準產(chǎn)品(ASSP)及專用集成電路(ASIC)，可以提供智能電表的4種基本功能，包括：電源/電源管理、計量、寄存及通信，具體產(chǎn)品包括功率因數(shù)控制器、交流-直流(AC-DC)控制器、直流-直流(DC-DC)控制器、穩(wěn)壓器，MOSFET、整流器、三端雙向可控硅開關(guān)元件(TRIAC)，PLC調(diào)制解調(diào)器、線路驅(qū)動器及信號放大器，濾波、輸入/輸出(I/O)及數(shù)據(jù)保護，LCD背光驅(qū)動器，EEPROM存儲器，及智能卡接口等。圖2是由安森美半導(dǎo)體的多種器件(圖中綠色部分)構(gòu)成的智能電表應(yīng)用。
圖2：由安森美半導(dǎo)體的多種產(chǎn)品構(gòu)成的智能電表應(yīng)用
如圖2所示，構(gòu)成智能電表應(yīng)用的安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品很多，除了上述AMIS-49587 PLC調(diào)制解調(diào)器和NCS5650 PLC線路驅(qū)動器，還包括：輸入/輸出保護(用于電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)濾波的數(shù)據(jù)濾波器、ESD保護二極管及陣列、用于電流和電壓管理的電壓監(jiān)測器)、輸入/輸出接口(數(shù)據(jù)濾波器、PLL時鐘產(chǎn)生器)、智能卡和SIM卡接口、I/O擴展器、電壓保護器件(二極管及整流器、瞬態(tài)電壓抑制器)、運算放大器和比較器、功率放大器、電力線調(diào)制解調(diào)器、EEPROM和SRAM存儲器、LCD背光驅(qū)動器及圖像/環(huán)境光傳感器、輸入橋整流器、穩(wěn)壓開關(guān)(交流-直流控制器和穩(wěn)壓器)、輸出整流/同步整流(肖特基二極管及整流器)、線性穩(wěn)壓開關(guān)(電壓參考、顯示驅(qū)動器、控制器、線性穩(wěn)壓器、轉(zhuǎn)換器、電荷泵)等。
其中，用于輸入/輸出保護的數(shù)據(jù)濾波器NUF2042XV6是專為需要線路終端、EMI濾波和ESD保護的應(yīng)用開發(fā)的單芯片器件，其雙向EMI可防止進/出系統(tǒng)的噪聲，并節(jié)約元件成本。用于電壓保護的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)P6KE6系列可以防止電壓敏感元件受到高電壓、高能量瞬變的影響，具有良好的鉗位能力、高浪涌能力、低阻抗齊納和快速響應(yīng)時間等特點。NOA1302是集成了16位ADC和2線I2C數(shù)字接口的寬動態(tài)范圍環(huán)境光傳感器（ALS），采用可編程集成優(yōu)化噪聲性能，可在近0 lux至超過100,000 lux的范圍內(nèi)提供線性響應(yīng)；該傳感器采用安森美半導(dǎo)體專有的CMOS圖像傳感技術(shù)，提供低噪聲和高動態(tài)范圍輸出信號和類似人眼反應(yīng)的光響應(yīng)。
總結(jié)
在開發(fā)智能電網(wǎng)和智能電表時，設(shè)計人員需要選擇適用的解決方案。安森美半導(dǎo)體為智能電網(wǎng)及智能電表應(yīng)用提供的各種解決方案均符合各種標準及客戶規(guī)范，具備簡化設(shè)計、降低成本、降低耗電、提供可靠通信及加快上市進程等諸多優(yōu)勢。