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如今，全球能源需求不斷增加，加速消耗現有資源，促使各國政府制定更積極的節能目標和更嚴格的高能效標準，由此產(chǎn)生一系列的積極影響。如傳統低能效的白熾燈照明正加速向LED照明過(guò)渡，傳統電網(wǎng)向的智能電網(wǎng)生態(tài)系統過(guò)渡，傳統汽車(chē)向電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)過(guò)渡，以及高能效電源和電機驅動(dòng)越來(lái)越受重視。 以智能電網(wǎng)為例，它是完全自動(dòng)化的分布式供電系統(從發(fā)電到用電)，集成了雙向通信智能電表及信息技術(shù)，旨在提升能效及可持續的電力服務(wù)。智能電網(wǎng)涉及電力、通信及應用等多個(gè)層次，涵蓋家庭區域網(wǎng)(HAN)、鄰域網(wǎng)(NAN)和廣域網(wǎng)(WAN)等不同類(lèi)型。雙向通信智能電表的部署，有助于推動(dòng)以HAN為基礎的智能家庭市場(chǎng)的增長(cháng)。消費者重視通過(guò)智能手機及平板電腦進(jìn)行任務(wù)操作的便利性，智能家庭的趨勢就是使消費者能夠透過(guò)這些設備來(lái)控制家中智能電器。應用智能技術(shù)的電器制造商能夠提供家庭能源管理服務(wù)，用于遠程監控及操作。消費者也需要根據智能電表及公用事業(yè)機構浮動(dòng)收費來(lái)認識智能電器的顯著(zhù)節電價(jià)值。 圖1：智能電網(wǎng)概念示意圖。 安森美半導體身為全球領(lǐng)先的半導體供應商，積極推動(dòng)高能效創(chuàng )新，為智能電網(wǎng)、智能家庭、智能樓宇控制等應用提供多種通信及安全保護方案。 1) 智能電表PLC通信方案 在智能電網(wǎng)中，雙向通信的智能電表發(fā)揮關(guān)鍵作用，一方面幫助電力機構精確了解用戶(hù)的用電規律，為高峰用電或低谷用電設定差異化的電價(jià)，另一方面，用戶(hù)也可以合理調整自己的用電計劃，從而優(yōu)化電費支出。智能電表包含不同功能模塊，除了電源和計量模塊外，還涉及到數據存儲功能，需采用安全可靠的存儲器；此外，雙向實(shí)時(shí)通信是智能電網(wǎng)的重要特征，故通信模塊至關(guān)重要，需要選擇適合的通信方式及相應的最佳解決方案。 圖2：智能電表關(guān)鍵功能模塊。 就家庭或建筑物中的智能電表到數據集中器(concentrator)就這一段的網(wǎng)絡(luò )連接而言，它們通常對通信速率的要求不高，最主要的考慮因素是降低成本。常見(jiàn)的通信方式有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，或有線(xiàn)的電力線(xiàn)載波(PLC)或電力線(xiàn)寬帶(BPL)等。具體采用何種通信方式，需要考慮各國電網(wǎng)實(shí)際狀況等因素，同時(shí)先行先試國家的做法也會(huì )提供借鑒意義。 就安森美半導體而言，我們與數家大型歐洲及亞洲電表和公共事業(yè)機構建立有悠久的協(xié)作及公共合作關(guān)系，幫助我們針對特定終端市場(chǎng)定義及調整器件設計。我們在世界各地電表應用中部署了500多萬(wàn)個(gè)PLC器件，包括法國EDF旗下公司法國配電公司(ERDF)的Linky智能電表項目，以及中國上海外灘基于PLC的智能路燈方案中。 圖3：使用安森美半導體PLC調制解調器方案的典型自動(dòng)抄表(AMR)應用。 安森美半導體的PLC產(chǎn)品及方案包括AMIS49587、NCN49597等調制解調器，NCS5650功率放大器，以及集成了PLC調制解調器和功率放大器的NCN49599系統級芯片(SoC)等。其中，NCS5650提供市場(chǎng)上最高的PLC驅動(dòng)能力，NCN49597和NCN49599提供重要突破及可用于后續產(chǎn)品的方案。安森美半導體的PLC調制解調器系列符合公用事業(yè)機構要求，符合IEC61334-5-1標準，提供不同供應商之間的互操作性能力。 以NCN49599為例，這器件為窄帶PLC通信提供整體方案。NCN49599集成了低能耗32位ARM Cortex M0處理器及高精度模擬前端和AB類(lèi)功率放大器，成本更低，用于智能電表/分體式電表、建筑物自動(dòng)化、太陽(yáng)能發(fā)電、路燈及工業(yè)控制等應用。NCN49599基于雙4,800波特S-FSK通道技術(shù)，提供市場(chǎng)上最高的每通道波特率，優(yōu)化了能效和性能，同時(shí)提供極佳的強固性和可靠性。它包含可編程嵌入式軟件(32 kB)，可配合現場(chǎng)升級，并能夠嵌入客戶(hù)專(zhuān)用協(xié)議及要求。它提供現成的IEC61334-5-1及定制PL110(PHY+MAC+LLC)堆棧，支持多種標準及應用。這器件提供多載波選擇，用于提供更高速度及強固性。NCN49599支持Cenelec A至D頻段可編程載波頻率，支持150 kHz的更寬頻段，用于智能電網(wǎng)應用。這器件包含10個(gè)GPIO，易于連接至LED、LCD、儀表IC等外設。它采用QFN56 8 x 8 mm封裝，支持-40至+125℃的結點(diǎn)溫度范圍。 圖4：NCN49599 S-FSK PLC調制解調器典型應用電路圖。 2) 遠程抄表M-Bus方案 在智能家庭及工業(yè)市場(chǎng)，遠程抄表應用快速增長(cháng)。安森美半導體配合這應用需求，推出用于雙線(xiàn)式儀表總線(xiàn)(M-BUS)從機及中繼器的NCN5150單芯片集成從收發(fā)器，用于多能源、供暖/冷氣表、水表、燃氣表等應用。這收發(fā)器利用安森美半導體先進(jìn)的混合信號技術(shù)訣竅，為這些應用提供所要求的性能等級，不僅符合標準，還提供強固性、高能效、速度和靈活性。 圖5：M-Bus應用示意圖。 NCN5150提供符合描述M-BUS物理層要求的EN 13757-2和EN 1434-3標準所要求的全部功能，提供達38,400波特(baud)的通用異步接收器/發(fā)射器(UART)通信速度，包含達2個(gè)單位負載(SOIC封裝版本)或6個(gè)單位負載(QFN封裝版本)的可編程功率等級，可通過(guò)集成的3.3 V低壓降(LDO)穩壓器用于外部電路。低內部能耗使應用中傳感器能夠獲得更多電能，而低壓總線(xiàn)工作(低至9.2 V)配合在擴展型M-BUS網(wǎng)絡(luò )中工作。 圖6：針對遠程抄表應用的NCN5150單芯片集成M-Bus從收發(fā)器典型應用電路圖。 NCN5150提供SOIC-16及QFN-20封裝選擇。SOIC-16與當前市場(chǎng)上已有器件引腳對引腳兼容，外加多處性能提升。QFN封裝的尺寸使其非常適用于數量不斷增長(cháng)的空間受限型應用。 NCN5150提供-40 ℃至+85 ℃的寬工作溫度范圍，使其非常適用于各種通常不可預測的工作環(huán)境。這器件與極性無(wú)關(guān)，其它關(guān)鍵特性包括掉電保護功能、快速啟動(dòng)，并能夠配合從總線(xiàn)或外部電源為從設備供電。 3) 家居及樓宇自動(dòng)化控制KNX收發(fā)器方案 KNX是一種針對各種家居及樓宇控制應用的全球性標準，涵蓋從照明及百葉窗控制到各種保安系統、供暖、通風(fēng)、空調、監視、報警、水控制、能源管理、儀表及家用電器、音響等應用。安森美半導體推出了用于KNX雙絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )((KNX TP1-256))的NCN5120收發(fā)器，用于處理總線(xiàn)上的數據發(fā)射和接收，支持連接建筑物網(wǎng)絡(luò )中的致動(dòng)器(actuator)、傳感器、微控制器、開(kāi)關(guān)或其它應用。 圖7：NCN5120 KNX收發(fā)器產(chǎn)品及應用示意圖。 NCN5120內置混合信號技術(shù)，在單片集成電路(IC)中集成了模擬前端、數字處理能力及電源功能。集成的KNX EIB收發(fā)器包含嵌入式物理層(PHY)及媒體存取控制器(MAC)層，提供9,600波特通信速度(TP1)，可選擇KNX總線(xiàn)電流斜坡，并且提供KNX總線(xiàn)電壓監控功能。NCN5120還提供20 V穩壓器及兩個(gè)高能效DC-DC轉換器，從總線(xiàn)產(chǎn)生3.3 V固定電壓及可調節的3.3 V至21 V穩壓電壓，各自的驅動(dòng)電流能力均為100毫安(mA)。 這收發(fā)器適合大功率應用，其設計旨在減少外圍器件，成本更低，還支持安全及可靠地耦合至總線(xiàn)，因為它具備可選擇扇入(fan-in)模式、總線(xiàn)電壓及溫度監測等特性。NCN5120的其它重點(diǎn)特性和優(yōu)勢包括：發(fā)送數據幀緩沖、可選自動(dòng)確認、支持模擬模式、支持休眠模式、可選擇UART或SPI接口、可選擇至主控制器的波特率、完整的時(shí)鐘系統(采用業(yè)界標準低成本16 MHz石英工作，能為外部MCU產(chǎn)生8/16 MHz時(shí)鐘)等。這器件采用QFN40 6x6 mm封裝，工作溫度范圍為-25℃至+85℃。 4) 符合UL943安全保護標準的GFCI信號處理器 接地故障斷路器(GFCI)是針對北美地區法規要求的一種特殊保護設備，用于防止觸電事故風(fēng)險，被要求用于檢測接地-中性故障(三線(xiàn))。GFCI的參考標準是UL943，涵蓋美國標準。而在歐洲等地區，法規要求使用殘余電流保護裝置(RCD)來(lái)降低觸電事故及著(zhù)火風(fēng)險。RCD的參考標準是IEC 61008及IEC 61009，涵蓋歐洲標準。GFCI和RCD的工作原理都是感測火線(xiàn)和中線(xiàn)導線(xiàn)電流之差，并在超過(guò)閾值的條件下觸發(fā)斷路器/開(kāi)關(guān)。 安森美半導體提供NCS370xx系列GFCI信號處理器，用于火線(xiàn)-中性-地線(xiàn)保護。這系列器件采用專(zhuān)有測量方法，提供高集成度方案，幫助減少外圍元件數量，控制成本，尤其是可以減少額外的電流互感器。NCS370xx提供優(yōu)異的抗噪性能，提供LED及蜂鳴器選擇，能夠觸發(fā)指示器/負載監視，其響應時(shí)間取決于故障電流。這系列器件目前包括NCS37000、NCS37005、NCS37010、NCS37012及NCS37007ST RCD等，其簡(jiǎn)要功能簡(jiǎn)介如表1所示。 表1：安森美半導體NCS370xx系列GFCI產(chǎn)品功能概覽。 總結 安森美半導體為智能電網(wǎng)、智能家庭、智能樓宇控制等應用提供豐富的產(chǎn)品及方案。本文重點(diǎn)介紹了安森美半導體用于此類(lèi)應用的PLC通信方案、遠程抄表M-Bus從收發(fā)器方案、樓宇自動(dòng)化控制KNX收發(fā)器方案以及安全保護方案，幫助設計工程師開(kāi)發(fā)配合智能電網(wǎng)及智能家庭/樓宇自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢的產(chǎn)品，從而在市場(chǎng)上占據更有利位置。 |
