PLC智能电表方案.pdf

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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
《安森美半导体PC智能电表方案》电子书 目录 前言] 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 通信模块:PLc调制解调器及线路驱动器方案. 、电源管理模块:AC-DC、DCDC及LDO 4 三、存储器:串行 EEPROM、并行 EEPROM、串行SRAM及 NVRAM.5 四、时钟: NLRTO1220实时时钟 五、温度传感器:基于PC接口的系列数字温度传感器 六、接口:符合标准的智能卡接口及SM卡接口 七、保护及滤波:瞬态电压抑制器系列 八、小结 第二章:应用于智能电表的安森美半导体高能效电源方案 提供高能效及低待机能耗的ACDc开关稳压器 、提供不同电流电平的DCDc开关稳压器 10 三、提供不同电流电平的线性LDO稳压器 四、安森美半导体应用于智能电表的其它解决方案 五、小结 12 第三章:总结 参考资料: 14 2 Www.onsemI.cn 《安森美半导体PC智能电表方案》电子书 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树应用中,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。我们应用于智能电衣的电力线绂波(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、保护濡滤波 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。 Ethernet Euridis Rs232 Interface Rs.485 UsB◎● rt card Interface Smart Card嚼 GPRS/GSM/CDMAO Transceive Infrared Infrared Remote In Recelver 0 Metrology Transformer Current > Reset L Sensor Temperature Power LIne (Power) Sensor Modem Controller Current Neutral Sensor Metrology Voltage Sensor Real LCD Clo Memory Display 1.2V 1.8V 3.3V Voltage D5.0V Regulation Rectification/ 12V Supervisory Rectification Sync Rect (Unear, Switching 图1:智能电表简化框图。 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,从智能电衣到数据集中器( concentrator)这段的网络连接通常对通信速 率的要求不高,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。 3 Www.onsemI.cn 《安森美半导体PLC智能电表方案》电子书 功率运算放大器 NCS5650 应用 微控制器 调制 (MCU) H 解调器 (Modem) 低噪声 运算放大 电表 AM|S49587 接口 图2:应用于智能电衣通信模块的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12kb的AMS30585为 早前推出,最初开发时就符合C61334标准(S-FSK规范),迄今凵历经8年的现场应用 检验。这器件采用PLCC28封装 为了应对客户对史高数据率的要求,安森美半导体推出了AMS49587高集成度低功率PLC 调制解调器方案。这器件支持24kb的更高半双工可调节通信速率,提供PLCC28和 QFN-52等不同封装,符合lC613345-1标准,为客户提供众多应用优势,如基于 ARM7TDM处珥器内核,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。设计人员使用AMS-49587 调制解调器,可以简化设计,能更快地廾发出全套互操作PLC方案,还降低廾发成木。 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AB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2A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2A驱动能力桷保在很低电力线阻抗吋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夲,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。 电源管理模块:ACDC、DCDC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ACDC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)。 4 Www.onsemI.cn 《安森美半导体PC智能电表方案》电子书 POWER SUPPLY/MANAGEMENT inverters High Voltage AC-DC Switching LDO Valtage Regulator Regulators 图3:PLC智能电表电源电源管理模块示意图。 在ACDC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∨ MOSFET,主要功能特性 包括软启动、频率抖动、短跻保护、跳周期和最人峰值电流设定点等。 器件型号 器件名称 封装 NCP1010,NcP1011, 低功率离线电源用自供电高压单片开关PD|P7,SoT223 pNCP1012NCP1013,NcP1014稳压器 NCP1027 中等功率离线电源高压单片开关稳压器PDP7 QNCP1050,NCP1051,NCP1052,高压门控晶体单片开关稳压器 PDIP-7 SOT-223 NCP1053,NCP1054,NcP1055 NCP3155 3A开关稳压器 SOIC-8 NcP3063,NcP3064 15A开关稳压器,或用作5A控制器soc8 LM2594, 0.5A1.0A/3A开关稳压器 TO220, DPAK 只LM2595,LM2596 SOIC-8. PDIP-8 NCP3020,NCP3011 PWM控制器 SOIC-8, TSSOP-14 NCP1034 PWM控制器 SOlC-16 LP2951 100mA多功能LD○线性稳压器 SO-8,PDIP-8,Micro8 厂NCP4640,NCP4641 50150mA线性稳压器 SOT89-5 O NCP562 80mA超低静态电流LDO线性稳压器SC82AB NCP4588 200mA输出LDO线性稳压器c7.5DFN 表1:适用」智能电表电源/电源管理模块的器件刎表(*预计在2010年第4季度推出) 在DC-DC部分,同样有很多选择,包括支持不同电沇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∨的宽输入电源电压范围工作。这器件还提供1A门驱动能力,能够产生低至1.25V 的输出电压。它的同步特性让外部源来设定廾关频率,或输出1个同步信号至多颗NCP1034 控制器。除了NCP1034等开关急压器,设计人员同样可以选用安森美半导体的多款DCDC 低压降(LDO线性稳压器,如NCP562、NCP4640等。 存储器:串行 EEPROM、并行 EEPROM、串行SRAM及 NVRAM 智能电衣涉及到数据存储问题,故需要使用安全可靠的仔储器。安森美半导体提供串行电可 擦除可编稈只读冇储器( EEPROM)、并行 EEPROM、串行静态随枳存取存储器(SRAM和 非易失性随机存取存储器( NVRAN)等,详情参见安森美半导体存储器产品选型指南(登录 www!onsen.cn在搜寻框中输入SGD530D后点击搜寻即可)。就其中的串行EEPR○M而 5 Www.onsemL. ch 《安森美半导体PC智能电表方案》电子书 言,也包含P?C、SP或 Microwire等不同接口类型的产品,其中PC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1kb到1Mb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 TM系列晶体振荡器 模块、零延迟缓冲器等。此 12C BUS INT 外,安森美半导体还计划在 SDA SDA SDA SCL SCL 2010年第4季度推出 NCT66 NLRTC1220 NLRTC1220实时时钟,可配| System OSCIN Controller 合安森美半导体的NCT66温 32kH2 32.768 Crystal OSCOUT 度传感器用丁智能电表(参见 Temperature RTC ensor 图4: NLRTC1220实时时钟在智能电表中的应用 五、温度传感器:基于c接口的系列数字温度传感器 安森美半导休提供丰富的数字温度传感器,用」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PC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,能够根据湜度测量结果自动消减与温度监测二极管串联的多 达1.5KΩ,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 VDD VDD O DD 1.8V or VDD 0.1uF NCT1008 3TYP10kQ2 SCLK SDATA SMBUS/2C CoNTROLLER 2N3906 SHIELD ALERT/ CPU THERMAL THERM2 DIODE 1.8V or VDD ERM GND TYP10 ko OVERTEMPERATURE SHUTDOWN 图5:适用」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PC接口,提供±1c的温度精度,分别采用WDFN6 和WDFN-10封装。 6 Www.onsemI.cn 《安森美半导体PC智能电表方案》电子书 六、接口:符合标准的智能卡接口及SM卡接口 安森美半导体为智能电表应用提供NCN6001智能卡接口。这器件符合丨SO7816-3、EMV 及GSM11.11标准,并 1不10uF 且兼容于同步卡及异步 U GND Swa GND CRD DET Syrb 卡。这器件通过简单及 CRD IO 灵活的微控制器接口处 RD RST RST 理任何类型的智能卡 CLK_ IN CRD CLK MOSI CRD VCC aκ特别是由丁采用内置芯 GND GND 片选择引脚,能够并联 14 MISO C8/S1 连接数个耦合器。这器 16 GND C8 件特别适合于低成本及 EN RPU PWR GND 10 SMARTCARD C 低功率应用。NCN6001 47k out_L Lout H NCNG001 采用 TSSOP20或 LLGA-20封装。 GND GND 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NCN455518V3.0VSM卡接口符合MT2000(即 3G)标准,同时也符合lS7816智能卡标准,适合于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,适用于智能电衣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、ESD52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600W的额定 浪涌峰值功率,采用SMB封装。ESD5Z和ESD9X系列用」ESD保护,符合C61000-4-2 4级ESD保护标准(接触放电±30kW;空气放电±30kW,分别采用SOD523和SOD923 封装,其中SOD-923封装的尺寸仅为1.0×0.6×0.37mm,非常适合空间受限的应用。 八、小结: 安森美半导体身为应用丁高能效绿色电子产品的首要高性能佳方案供应商,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、吋钟、接∏、保护和滤波 品等。工程师利用安森关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,在市场竞争屮据先机 7 Www.onsemI.cn 《安森美半导体PC智能电表方案》电子书 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焖,旨在替代传统智能化程度较低及易受冲击的传统电內。 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 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,实森美半导体亦提 供卡富的产品选择,包括高压交流-直流(AC-DC)开关稳压器、直流-直流(DCDC)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 N POWER SUPPLY/MANAGEMENT DC-DC Converters High voltage Requla: o Regulator 图1:智能电表电源及电源管理模块框图。 器件型号 器件名称 封装 NCP1010,NCP1011 低功率离线电源用自供电高压单片开关PD|P7,SOT223 NCP1012NCP1013NCP1014稳压器 NCP1027 中等功率离线电源高压单片开关稳压器PP7 NCP1050,NCP1051,NCP1052,高压门控晶体单片开关稳压器 PDIP-7 SOT-223 NCP1053,NcP1054,NcP1055 NCP3155 3A开关稳压器 SOIC-8 NCP3063,NCP3064 15A开关稳压器,或用作5A控制器SoC8 LM2594 0.5A1.0A/3A开关稳压器 TO220, DPAK LM2595,LM2596 SOIC-8. PDIP-8 NcP3020.NcP3011 PWM控制器 SOIC-8. TSSOP-14 NCP1034 PWM控制器 SoIC-16 LP2951 100mA多功能LDO线性稳压器s08 PDIP-8. Micro8 NcP4640,NcP4641* 50/150mA线性稳压器 SOT89-5 NCP562 80mA超低静态电流LDo线性稳压器SC82AB NcP4588* 20mA输出LDO线性稳压器sc705DFN 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。 提供高能效及低待机能耗的AcDc开关稳压器 8 Www.onsemL. ch 《安森美半导体PC智能电表方案》电子书 如表1所示,在ACDC电源转换部分,可以选用安森关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NCP1050/1/23/4/5等 以NCP101X为例,这系列器件集成了回定频率电流模式控制器及典型导通阻抗为11或 22Ω的700M○SFET,提倛构建强固及低成本开关电源所需的仝部特性,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,NCP101×以65、100及130kHz中的某一频率廾关;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丌关周期),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1A4时,故没有可听嵲声产生。因此,待机能耗降全最低,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。 山 100-250 NCP101X GND a)NCP101X系列典型应用电路图 NCP1010 NCP1011 NCP1012 NCP1013 NCP1014 Roson 221 Ipeak m A 100 Freq队kHz 65101061001306101306511306510 b)NCP101X关键参数概览 图2:NCP101x单片丌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15W的通用主电源反激应用提供新的方案 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翰入欠压保护电 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偵,使其成为 待机/辅助离线电源或要求较髙输岀功率应用的极佳选择 NCP105X是使终端设备能够符合低待杋能耗要求的单片开关稳压器,这系列器件直接采用 整流的父流线路电源工作。在反激转换器应用中,它们在100、115或230V固定父流输入 电压下能够提供6.0至40W的输出功率,而在85到265∨的可变交流输入电压下能够提 9 Www.onsemL. ch

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