從智能電表的組成來看,主要包括通信、電源及電源管理、計量及存儲等功能模塊。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商,提供應(yīng)用于智能電表各個功能模塊的豐富解決方案,如PLC調(diào)制解調(diào)器和線路驅(qū)動器、放大器、穩(wěn)壓、監(jiān)控、電壓保護(hù)、溫度傳感器、實時時鐘、存儲器、LCD背光、I/O接口、智能卡接口和I/O擴展器等。
其中,就電源及電源管理模塊(參見圖1)而言,安森美半導(dǎo)體亦提供豐富的產(chǎn)品選擇,包括高壓交流-直流(AC-DC)開關(guān)穩(wěn)壓器、直流-直流(DC-DC)開關(guān)穩(wěn)壓器/控制器和低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器等(參見表1),方便用戶根據(jù)具體應(yīng)用選擇適合的方案。這些電源方案具有高能效、低能耗及豐富保護(hù)特性等特點,非常適合智能電表應(yīng)用。
圖1:智能電表電源及電源管理模塊框圖。
表1:安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表電源及電源管理模塊的器件列表。
提供高能效及低待機能耗的AC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器
如表1所示,在交流-直流電源轉(zhuǎn)換部分,可以選用安森美半導(dǎo)體的一系列開關(guān)穩(wěn)壓器,如適合低功率應(yīng)用的NCP1010/1/2/3/4自供電單片開關(guān)穩(wěn)壓器、適合中等功率應(yīng)用的NCP1027高壓單片開關(guān)穩(wěn)壓器,以及高壓門控開關(guān)穩(wěn)壓器NCP1050/1/2/3/4/5等。
以NCP101x為例,這系列器件集成了固定頻率電流模式控制器及典型導(dǎo)通阻抗為11或22 Ω的700 V MOSFET,提供構(gòu)建強固及低成本開關(guān)電源所需的全部特性,包括軟啟動、頻率抖動、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定點及動態(tài)自供電(不需要輔助繞組)等。在正常負(fù)載工作期間,NCP101x以65、100及130 kHz中的某一頻率開關(guān);而當(dāng)電流設(shè)定點降到低于某個給定值(如輸出功率需求消失)時,NCP101x自動進(jìn)入所謂的跳周期模式(在此模式下跳除不需要的開關(guān)周期),從而提供極佳的輕載能效。由于進(jìn)入跳周期模式通常發(fā)生在最大峰值電流的1/4時,故沒有可聽噪聲產(chǎn)生。因此,待機能耗降至最低,且沒有可聽噪聲產(chǎn)生。NCP101x典型應(yīng)用電路及不同型號的關(guān)鍵參數(shù)參見圖2。
圖2:NCP101x單片開關(guān)穩(wěn)壓器典型應(yīng)用電路及不同器件關(guān)鍵參數(shù)。
NCP1027則為目標(biāo)輸出功率等級為數(shù)瓦到15 W的通用主電源反激應(yīng)用提供新的方案。這器件采用安森美半導(dǎo)體專有的高壓技術(shù),集成了均直接連接至大電容的功率MOSFET及啟動電流源。為了防止在低輸入電壓條件下出現(xiàn)熱失控,這器件具有的可調(diào)節(jié)輸入欠壓保護(hù)電路阻止出現(xiàn)這種狀況,直到達(dá)到充足的輸入電平。這器件的其它特性包括可調(diào)節(jié)斜坡補償、過功率保護(hù)、短路保護(hù)、過壓保護(hù)等。此外,NCP1027提供較大的導(dǎo)通阻抗值,使其成為待機/輔助離線電源或要求較高輸出功率應(yīng)用的極佳選擇。
NCP105x是使終端設(shè)備能夠符合低待機能耗要求的單片開關(guān)穩(wěn)壓器,這系列器件直接采用整流的交流線路電源工作。在反激轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中,它們在100、115或230 V固定交流輸入電壓下能夠提供6.0至40 W的輸出功率,而在85到265 V的可變交流輸入電壓下能夠提供3.0至20 W的輸出功率。這系列器件提供有源啟動穩(wěn)壓器電路,使轉(zhuǎn)換器變壓器上無需輔助偏置繞組。其它特性包括故障檢測器及可編程定時器(用于轉(zhuǎn)換器過載保護(hù))、獨特的門控配置(提供極快環(huán)路路應(yīng)及雙重脈沖抑制)、電源開關(guān)限流、帶遲滯的輸入欠壓鎖定、熱關(guān)閉及自動重啟故障檢測等。這系列器件25 ℃結(jié)溫下的限流閾值典型值介于100 mA到680 mA之間。
提供不同電流電平的DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器
工程師同樣可以根據(jù)具體應(yīng)用選擇安森美半導(dǎo)體的不同DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器方案,如3 A 開關(guān)穩(wěn)壓器NCP3155、1.5 A開關(guān)穩(wěn)壓器NCP3063/4、0.5/1.0/3 A開關(guān)穩(wěn)壓器LM2594/5/6、NCP3020/11脈寬調(diào)制(PWM)控制器及NCP1034 PWM控制器。
以NCP3155為例,這是安森美半導(dǎo)體新推出的一款DC-DC同步降壓穩(wěn)壓器,包含NCP3155A和NCP3155B兩個版本。NCP3155包含全集成電源開關(guān)(48 mΩ高端FET及18 mΩ低端FET),提供完整的故障保護(hù)特性(輸入欠壓鎖定、輸出過壓保護(hù)及輸出欠壓保護(hù)、限流及短路保護(hù))。這器件的輸入電壓范圍為4.7至24 V,輸出電壓可調(diào)節(jié)。NCP3155支持較高的工作頻率(A版本為500 kHz,B版本為1 MHz),能夠使用較小的濾波器組件,從而減小占用的電
路板空間及物料單(BOM)成本。NCP3155采用SOIC-8封裝,典型應(yīng)用電路圖參見圖3。
圖3:NCP3155A典型應(yīng)用電路圖。
NCP3063及NCP3064是1.5 A升壓、降壓及反轉(zhuǎn)開關(guān)穩(wěn)壓器,包含內(nèi)置溫度補償參考、比較器、占空比受控振蕩器及有源限流電路、驅(qū)動器及大電流開關(guān)。這系列器件的設(shè)計專門針對升壓、降壓及電壓反轉(zhuǎn)應(yīng)用,所需外部組件極少。這系列器件的輸出開關(guān)電流達(dá)1.5 A,也可用作控制器,支持達(dá)5 A電流。NCP3064與NCP3063不同的是,提供導(dǎo)通/關(guān)閉引腳,用于低能耗關(guān)閉模式,典型待機電流消耗僅為100 μA。
LM2594、LM2595和LM2596分別是0.5 A、1.0 A及3 A降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。與常見的三端線性穩(wěn)壓器相比,這系列器件的能效要高得多,特別是在較高輸入電壓的條件下。這系列器件采用150 kHz開關(guān)頻率工作,能夠使用尺寸更小的濾波組件。其它特性包括:特定輸入電壓及輸出負(fù)載條件下確保提供±4%的輸出電壓容限、振蕩器頻率精度達(dá)±15%、支持外部關(guān)閉(LM2594和LM2595待機電流典型值為50μA,LM2596為80 μA)、輸出開關(guān)逐周期限流及故障條件下熱關(guān)閉等。
NCP3020/11、NCP1034均為同步降壓PWM控制器。其中,NCP3021/11支持4.7至28 V的輸入電壓范圍,提供啟用(EN)/功率良好(PG)/同步(SYNC)引腳,以及300/400/600 kHz的開關(guān)頻率。保護(hù)特性包括無損耗限流、短路保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、輸出欠壓保護(hù)及輸入欠壓鎖定。
NCP1034與NCP3020/11不同,能夠接受高達(dá)100 V的輸入電壓,并提供50 kHz至500 kHz的可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率,具備2 A輸出電流能力,提供用戶可編程輸入欠壓鎖定及斷續(xù)(hiccup)限流等保護(hù)特性。
提供不同電流電平的線性LDO穩(wěn)壓器
安森美半導(dǎo)體同樣提供不同電流電平的線性低壓降穩(wěn)壓器,方便用戶的選擇。這些LDO穩(wěn)壓器包括LP2951、NCP4640/1、NCP562及NCP4588等。
其中,LP2951是100 mA多功能LDO線性穩(wěn)壓器,特別設(shè)計用于輸入與輸出電壓差極低的穩(wěn)壓應(yīng)用。這器件提供75 μA的極低靜態(tài)偏置電流,并提供固定或可調(diào)節(jié)輸出電壓(輸出電壓可在1.25 V至29 V之間設(shè)定)。NCP4640和NCP4641則是50/150 mA線性穩(wěn)壓器,支持4至36 V輸入電壓并可承受50 V電壓。NCP562是80 mA超低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器,靜態(tài)電流低至2.5 μA。NCP4588則是200 mA輸出LDO線性穩(wěn)壓器,典型靜態(tài)電流小于9.5 μA,待機電流為0.1 μA,壓降低至270 mV,并提供高70 dB的電源抑制比(PSSR)。這器件即使在負(fù)載電流變化的情況下也可以省去輸出電容,在沒有輸出電容的情況下仍然保持穩(wěn)定工作。但如果負(fù)載變化極大,最好使用0.1 μF至10 μF的輸出電容。
圖4:NCP4588在省去輸出電容的情況下仍能保持穩(wěn)定工作。
安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表的其它解決方案
如上所述,安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供豐富的解決方案,除了上述電源及電源管理方案,還包括電力線載波(PLC)調(diào)制解調(diào)器,以及豐富的存儲器(EEPROM及SRAM)、時鐘、接口、保護(hù)/濾波產(chǎn)品等,構(gòu)成我們應(yīng)用于智能電表的完整解決方案。
例如,安森美半導(dǎo)體推出了支持2.4 kb的更高半雙工可調(diào)節(jié)通信速率、符合IEC61334-5-1標(biāo)的AMIS-49587高集成度低功率PLC調(diào)制解調(diào)器方案,以及能驅(qū)動高達(dá)2 A電流的高能效的A/B類低失真線路驅(qū)動器——NCS5650,能夠很好地配合智能電表PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動應(yīng)用。
圖5:應(yīng)用于智能電表通信模塊的PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動器方案。
總結(jié):
電源及電源管理是智能電表的重要功能模塊。安森美半導(dǎo)體為此功能模塊提供豐富的產(chǎn)品選擇,包括AC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器、DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器及LDO線性穩(wěn)壓器,方便用戶根據(jù)具體應(yīng)用選擇適合的器件。除了電源及電源管理方案,安森美半導(dǎo)體還為智能電表應(yīng)用提供其它功能模塊的豐富方案,如PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動器、存儲器(EEPROM及SRAM)、時鐘、接口、保護(hù)/濾波產(chǎn)品等,構(gòu)成應(yīng)用于智能電表的完整解決方案。