安森美半導(dǎo)體：智能電網(wǎng)和智能電表的解決方案

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(jìn)傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)控制方法，以及先進(jìn)決策支持系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可靠、 安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的高效運(yùn)行。本文將談及智能電網(wǎng)及智能電表市場(chǎng)，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(chǎng)在綠色節(jié)能意識(shí)的推動(dòng)下，以智能電表為核心的智能電網(wǎng)成為世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。發(fā)展智能電網(wǎng)也能讓公用事業(yè) 機(jī)構(gòu)及用戶受益。如智能電網(wǎng)可幫助電力機(jī)構(gòu)降低運(yùn)營(yíng)支出、減少竊電、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)及即時(shí)響應(yīng)用戶需求等。用戶也有機(jī)會(huì)享受到更靈活的定價(jià)，因網(wǎng)絡(luò)計(jì)量節(jié)省成本 及幫助實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)、各種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)(ZigBee、PLC、Wi-Fi、 WiMax和蜂窩移動(dòng)通信等)爭(zhēng)相涌現(xiàn)等。

在這些有利因素的推動(dòng)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(jì)全球出貨將從2008年的僅數(shù)百萬(wàn)部增長(zhǎng)至2014年的約5,000萬(wàn)部，年 復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)高達(dá)48%。而從技術(shù)趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)將超向雙向?qū)崟r(shí)通信、開(kāi)放式平臺(tái)/模塊化服務(wù)。系統(tǒng)集成也將是重要的未來(lái)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)可更新、插 電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)以及家庭自動(dòng)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(jìn)計(jì)量體系(AMI)，并成為未來(lái)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(guò)載波方式在配電線上高速傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)的技術(shù)。利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信不需要重新布線，信號(hào)不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(dòng)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(duì)低/中壓電力線數(shù)據(jù)通信開(kāi)發(fā)了擴(kuò)頻型移頻鍵控(S-FSK)PLC調(diào)制解調(diào)器(Modem)——AMIS-49587。它是一個(gè)高集成 度、符合IEC61334標(biāo)準(zhǔn)的低功率PLC方案，適用于智能電網(wǎng)自動(dòng)讀表及管理、街道照明控制、智能電力插頭(powerplug)和建筑物自動(dòng)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(gè)32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運(yùn) 行S-FSK調(diào)制解調(diào)的算法，同時(shí)也管理與外部MCU的通信。該器件包含了所有S-FSK信號(hào)處理、MCU接口管理等模擬、數(shù)字部分。AMIS- 49587支持先進(jìn)計(jì)量體系(AMI)，用于公用事業(yè)機(jī)構(gòu)與電表之間的雙向通信，支持遠(yuǎn)程讀表、斷開(kāi)開(kāi)關(guān)連接及負(fù)載控制。目前全球26.5億部電表中僅有 約8%是自動(dòng)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離電力線的強(qiáng)固低數(shù)據(jù)率通信，以及2,400bps的半雙工可調(diào) 節(jié)速率通信。不到20kHz的低工作頻率及自動(dòng)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(chǎng)有 超過(guò)8年的成功應(yīng)用驗(yàn)證的器件。

AMIS-49587利用安森美半導(dǎo)體的混合信號(hào)技術(shù)，在一個(gè)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(diǎn)在于，作為PLC收發(fā) 器，除了完成物理層S-FSK信號(hào)的收發(fā)、調(diào)制解調(diào)外，它還包含了媒體訪問(wèn)控制器(MAC)子層的處理，使設(shè)計(jì)人員無(wú)需涉及PHY和MAC協(xié)議傳輸細(xì)節(jié)問(wèn) 題，把更多精力放在應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)，而大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)方案需要復(fù)雜的嵌入式軟件來(lái)執(zhí)行與AMIS-49587相同的功能。

通過(guò)AMIS-49587進(jìn)行邏輯鏈路層(LLCLayer)數(shù)據(jù)包的交換，底層的幀頭、幀校驗(yàn)等都會(huì)自動(dòng)添加。這在很大程度上減少了客戶軟件開(kāi)發(fā)工作 量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了開(kāi)發(fā)及應(yīng)用成本，并加速上市進(jìn)程。這些優(yōu)勢(shì)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(dòng)應(yīng)用推出一款高能效的A/B類低失真線路驅(qū)動(dòng)器——NCS5650。這器件的電源電壓(VCC)為單端6至 12V或雙平衡±3.0至6.0V。NCS5650的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，接收PLC調(diào)制解調(diào)器輸送的信號(hào)，輸出段設(shè)計(jì)成能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)2A的電流，經(jīng)隔離變壓器或簡(jiǎn)單的線圈耦合至交流主電源。

NCS5650符合PLC線路驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用要求，提供重要的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。如這器件針對(duì)歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CENELEC)用于智能電表的A、B、C和D 頻段進(jìn)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(dú)特的2A驅(qū)動(dòng)能力確保在很低電力線阻抗時(shí)也可 保持有效的通信。

NCS5650在電氣性能上也頗具優(yōu)勢(shì)。兩級(jí)運(yùn)算放大可以實(shí)現(xiàn)700kHz的全功率帶寬，諧波失真也很低，僅為0.015%/1kHz。這器件的功耗也很 低，軌到軌壓差僅為0.5V，靜態(tài)電流僅為20mA，關(guān)斷模式下的電流僅為150A。

圖1是采用AMIS-49587的PLC解決方案框圖。該方案主要由PLCModem、AMIS-49587、驅(qū)動(dòng)放大器NCS5650及耦合變壓器組成。

圖中紅色箭頭為PLC信號(hào)的發(fā)送路徑。AMIS-49587調(diào)制出的S-FSK信號(hào)由NCS5650放大后經(jīng)變壓器耦合到電力線上。變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換和 阻抗匹配，也可用于強(qiáng)弱電的隔離。NCS5650除了信號(hào)功率放大外，其兩級(jí)運(yùn)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(duì)電力線接入設(shè)備有嚴(yán)格限 制的歐洲，只有增加類似的濾波器，才能保證系統(tǒng)對(duì)電力線的高頻干擾注入滿足EN50065規(guī)范的要求。

藍(lán)色箭頭表示接收路徑。變壓器從電力線耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)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(jìn)行FSK解調(diào)分析。圖中黑色箭頭是 50Hz的過(guò)零檢測(cè)信號(hào)引腳。系統(tǒng)依靠這個(gè)信號(hào)進(jìn)行同步定時(shí)。圖中藍(lán)色虛線內(nèi)是電表內(nèi)的應(yīng)用處理器，負(fù)責(zé)應(yīng)用層處理通信及計(jì)量。