PLC智能电表方案

PLC 调制解调器及线路驱动器 AC-DC、DC-DC 及 LDO 稳压器 EEPROM、SRAM 及 NVRAM 实时时钟 基于 I2C 的数字温度传感器 智能卡接口及 SIM 卡接口 TVS 系列 通信： 电源/电源管理： 存储器： 时钟： 温度传感器： 接口： 保护及滤波： 安森美半导体 PLC 智能电表 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子 1 www.onsemi.cn [前言] 近年来，世界各国均发展智能电网，在这应用中，智能电表发挥关键 作用，可以使用户与电力系统之间实现互动，如一方面帮助电力机构 精确了解用户的用电规律，为高峰用电或低谷用电设定差异化的电 价；另一方面，用户也可以调整自己的用电计划，节省电费支出。 从智能电表的组成来看，主要包括通信、电源及电源管理、计量及存 储等功能模块。安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性 能硅方案供应商，提供应用于智能电表各个功能模块的丰富解决方 案，包括电力线载波(PLC)调制解调器及线路驱动器、电源及电源管 理、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。 本电子书分为四章，第一章概述安森美半导体应用于 PLC 智能电表 各个功能模块的解决方案，第二章着重介绍安森美半导体应用于电源 及电源管理模块的解决方案，第三章分析智能电表技术的现状及发展 趋势，第四章作总结。客户选用安森美半导体应用于智能电表的完整 解决方案，能够方便地开发高能效、低能耗及高可靠性的智能电表应 用，并缩短开发时间，加快产品上市进程。 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 2 www.onsemi.cn 目录 [前言].................................................................................................................................... 1 第一章：应用于智能电表各功能模块的安森美半导体方案总览 .......................................... 3 一、通信模块：PLC 调制解调器及线路驱动器方案 ..................................................... 3 二、电源管理模块：AC-DC、DC-DC 及 LDO ............................................................. 4 三、存储器：串行 EEPROM、并行 EEPROM、串行 SRAM 及 NVRAM ................... 5 四、时钟：NLRTC1220 实时时钟 ................................................................................ 6 五、温度传感器：基于 I2C 接口的系列数字温度传感器 ............................................... 6 六、接口：符合的智能卡接口及 SIM 卡接口 ........................................................ 7 七、保护及滤波：瞬态电压抑制器系列 ........................................................................ 7 八、小结 ....................................................................................................................... 7 第二章：应用于智能电表的安森美半导体高能效电源方案 .................................................. 8 一、提供高能效及低待机能耗的 AC-DC 开关稳压器 ................................................... 8 二、提供不同电流电平的 DC-DC 开关稳压器 ............................................................ 10 三、提供不同电流电平的线性 LDO 稳压器 ................................................................ 11 四、安森美半导体应用于智能电表的其它解决方案 ................................................... 11 五、小结 ..................................................................................................................... 12 第三章：总结 ..................................................................................................................... 13 参考资料： ......................................................................................................................... 14 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 3 www.onsemi.cn 第一章：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。 一、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。 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 4 www.onsemi.cn 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。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。 二、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 AC-DC 转换器/稳压器、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(详见第二章内容)。 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 5 www.onsemi.cn 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。 三、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 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 6 www.onsemi.cn 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。 四、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。 五、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 等数字温度传感器。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。 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 7 www.onsemi.cn 六、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。 七、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。 八、小结： 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。 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 8 www.onsemi.cn 第二章：应用于智能电表的安森美半导体高能效电源方案 近年来，世界各国争相发展智能电网，旨在替代传统智能化程度较低及易受冲击的传统电网。 在智能电网应用中，智能电表发挥关键作用，可以使用户与电力系统之间实现互动，如一方 面帮助电力机构精确了解用户的用电规律，为高峰用电或低谷用电设定差异化的电价；另一 方面，用户也可以合理调整自己的用电计划，从而优化电费支出。 从智能电表的组成来看，主要包括通信、电源及电源管理、计量及存储等功能模块。安森美 半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，提供应用于智能电表各个功 能模块的丰富解决方案。其中，就电源及电源管理模块(参见图 1)而言，安森美半导体亦提 供丰富的产品选择，包括高压交流-直流(AC-DC)开关稳压器、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(参见表 1)，方便用户根据具体应用选择适合的方案。 这些电源方案具有高能效、低能耗及丰富保护特性等特点，非常适合智能电表应用。 图 1：智能电表电源及电源管理模块框图。 表 1：安森美半导体应用于智能电表电源及电源管理模块的器件列表。 一、提供高能效及低待机能耗的 AC-DC 开关稳压器 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 9 www.onsemi.cn 如表 1 所示，在 AC-DC 电源转换部分，可以选用安森美半导体的一系列开关稳压器，如适 合低功率应用的 NCP1010/1/2/3/4 自供电单片开关稳压器、适合中等功率应用的 NCP1027 高压单片开关稳压器，以及高压门控开关稳压器 NCP1050/1/2/3/4/5 等。 以 NCP101x 为例，这系列器件集成了固定频率电流模式控制器及典型导通阻抗为 11 或 22 Ω 的 700 V MOSFET，提供构建强固及低成本开关电源所需的全部特性，包括软启动、 频率抖动、短路保护、跳周期、最大峰值电流设定点及动态自供电(不需要辅助绕组)等。在 正常负载工作期间，NCP101x 以 65、100 及 130 kHz 中的某一频率开关；而当电流设定点 降到低于某个给定值(如输出功率需求消失)时，NCP101x 自动进入所谓的跳周期模式(在此 模式下跳除不需要的开关周期)，从而提供极佳的轻载能效。由于进入跳周期模式通常发生 在最大峰值电流的 1/4 时，故没有可听噪声产生。因此，待机能耗降至最低，且没有可听噪 声产生。NCP101x 典型应用电路及不同型号的关键参数参见图 2。 图 2：NCP101x 单片开关稳压器典型应用电路及不同器件关键参数。 NCP1027 则为目标输出功率等级为数瓦到 15 W 的通用主电源反激应用提供新的方案。这 器件采用安森美半导体专有的高压技术，集成了均直接连接至大电容的功率 MOSFET 及启 动电流源。为了防止在低输入电压条件下出现热失控，这器件具有的可调节输入欠压保护电 路阻止出现这种状况，直到达到充足的输入电平。这器件的其它特性包括可调节斜坡补偿、 过功率保护、短路保护、过压保护等。此外，NCP1027 提供较大的导通阻抗值，使其成为 待机/辅助离线电源或要求较高输出功率应用的极佳选择。 NCP105x 是使终端设备能够符合低待机能耗要求的单片开关稳压器，这系列器件直接采用 整流的交流线路电源工作。在反激转换器应用中，它们在 100、115 或 230 V 固定交流输入 电压下能够提供 6.0 至 40 W 的输出功率，而在 85 到 265 V 的可变交流输入电压下能够提 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 10 www.onsemi.cn 供 3.0 至 20 W 的输出功率。这系列器件提供有源启动稳压器电路，使转换器变压器上无需 辅助偏置绕组。其它特性包括故障检测器及可编程定时器(用于转换器过载保护)、独特的门 控配置(提供极快环路路应及双重脉冲抑制)、电源开关限流、带迟滞的输入欠压锁定、热关 闭及自动重启故障检测等。这系列器件 25 ℃结温下的限流阈值典型值介于 100 mA 到 680 mA 之间。 二、提供不同电流电平的 DC-DC 开关稳压器 工程师同样可以根据具体应用选择安森美半导体的不同 DC-DC 开关稳压器方案，如 3 A 开 关稳压器 NCP3155、1.5 A 开关稳压器 NCP3063/4、0.5/1.0/3 A 开关稳压器 LM2594/5/6、 NCP3020/11 脉宽调制(PWM)控制器及 NCP1034 PWM 控制器。 以 NCP3155 为例，这是安森美半导体新推出的一款 DC-DC 同步降压稳压器，包含 NCP3155A 和 NCP3155B 两个版本。NCP3155 包含全集成电源开关(48 mΩ 高端 FET 及 18 mΩ 低端 FET)，提供完整的故障保护特性(输入欠压锁定、输出过压保护及输出欠压保护、 限流及短路保护)。这器件的输入电压范围为 4.7 至 24 V，输出电压可调节。NCP3155 支 持较高的工作频率(A 版本为 500 kHz，B 版本为 1 MHz)，能够使用较小的滤波器元件，从 而减小占用的电路板空间及物料单(BOM)成本。NCP3155 采用 SOIC-8 封装，典型应用电 路图参见图 3。 图 3：NCP3155A 典型应用电路图。 NCP3063 及 NCP3064 是 1.5 A 升压、降压及反转开关稳压器，包含内置温度补偿参考、 比较器、占空比受控振荡器及有源限流电路、驱动器及大电流开关。这系列器件的设计专门 针对升压、降压及电压反转应用，所需外部元件极少。这系列器件的输出开关电流达 1.5 A， 也可用作控制器，支持达 5 A 电流。NCP3064 与 NCP3063 不同的是，提供导通/关闭引脚， 用于低能耗关闭模式，典型待机电流消耗仅为 100 μA。 LM2594、LM2595 和 LM2596 分别是 0.5 A、1.0 A 及 3 A 降压开关稳压器。与常见的三端 线性稳压器相比，这系列器件的能效要高得多，特别是在较高输入电压的条件下。这系列器 件采用 150 kHz 开关频率工作，能够使用尺寸更小的滤波元件。其它特性包括：特定输入 电压及输出负载条件下确保提供±4%的输出电压容限、振荡器频率精度达±15%、支持外部 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 11 www.onsemi.cn 关闭(LM2594 和 LM2595 待机电流典型值为 50μA，LM2596 为 80 μA)、输出开关逐周期限 流及故障条件下热关闭等。 NCP3020/11、NCP1034 均为同步降压 PWM 控制器。其中，NCP3021/11 支持 4.7 至 28 V 的输入电压范围，提供启用(EN)/功率良好(PG)/同步(SYNC)引脚，以及 300/400/600 kHz 的开关频率。保护特性包括无损耗限流、短路保护、输出过压保护、输出欠压保护及输入欠 压锁定。 NCP1034与NCP3020/11不同，能够接受高达100 V的输入电压，并提供50 kHz至500 kHz 的可调节开关频率，具备 2 A 输出电流能力，提供用户可编程输入欠压锁定及断续(hiccup) 限流等保护特性。 三、提供不同电流电平的线性 LDO 稳压器 安森美半导体同样提供不同电流电平的线性低压降稳压器，方便用户的选择。这些 LDO 稳 压器包括 LP2951、NCP4640/1、NCP562 及 NCP4588 等。 其中，LP2951 是 100 mA 多功能 LDO 线性稳压器，特别设计用于输入与输出电压差极低 的稳压应用。这器件提供 75 μA 的极低静态偏置电流，并提供固定或可调节输出电压(输出 电压可在 1.25 V 至 29 V 之间设定)。NCP4640 和 NCP4641 则是 50/150 mA 线性稳压器， 支持 4 至 36 V 输入电压并可承受 50 V 电压。NCP562 是 80 mA 超低静态电流 LDO 稳压 器，静态电流低至 2.5 μA。NCP4588 则是 200 mA 输出 LDO 线性稳压器，典型静态电流 小于 9.5 μA，待机电流为 0.1 μA，压降低至 270 mV，并提供高 70 dB 的电源抑制比(PSSR)。 这器件即使在负载电流变化的情况下也可以省去输出电容，在没有输出电容的情况下仍然保 持稳定工作。但如果负载变化极大，最好使用 0.1 μF 至 10 μF 的输出电容。 图 4：NCP4588 在省去输出电容的情况下仍能保持稳定工作。 四、安森美半导体应用于智能电表的其它解决方案 如上所述，安森美半导体为智能电表应用提供丰富的解决方案，除了上述电源及电源管理方 案，还包括电力线载波(PLC)调制解调器，以及丰富的存储器(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。 例如，安森美半导体推出了支持 2.4 kb 的更高半双工可调节通信速率、符合 IEC61334-5-1 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 12 www.onsemi.cn 标的 AMIS-49587 高集成度低功率 PLC 调制解调器方案，以及能驱动高达 2 A 电流的高能 效的 A/B 类低失真线路驱动器——NCS5650，能够很好地配合智能电表 PLC 调制解调器及 线路驱动应用。 图 5：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。 五、小结： 电源及电源管理是智能电表的重要功能模块。安森美半导体为此功能模块提供丰富的产品选 择，包括 AC-DC 开关稳压器、DC-DC 开关稳压器及 LDO 线性稳压器，方便用户根据具体 应用选择适合的器件。除了电源及电源管理方案，安森美半导体还为智能电表应用提供其它 功能模块的丰富方案，如 PLC 调制解调器及线路驱动器、存储器(EEPROM 及 SRAM)、时 钟、接口、保护/滤波产品等，构成应用于智能电表的完整解决方案。 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 13 www.onsemi.cn 第三章 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。 以电源及电源管理模块为例，安森美半导体在这个领域积累了深厚的技术专长，为这个模块 提供丰富的产品选择，包括高压 AC-DC 开关稳压器、DC-DC 开关稳压器/控制器和低压降 (LDO)线性稳压器等，方便用户根据具体应用选择适合的方案。这些电源方案具有高能效、 低能耗及丰富保护特性等特点，非常适合智能电表应用。 而在智能电表应用中，安森美半导体在提供目前成熟的窄带 PLC 调方案的同时，也在研发 多载波、高速率的 PLC 产品以及基于 OFDM 的 PLC 调制解调器。未来我们将会提供给客 户更加多样化的选择。 《安森美半导体 PLC 智能电表方案》电子书 14 www.onsemi.cn 参考资料： 1、 安森美半导体智能电表方案选型手册， www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/BRD8075-D.PDF 2、 安森美半导体智能电表建议元件表， www.onsemi.cn/PowerSolutions/appDiagram.do?appId=661