中心議題：
解決方案：
- 高能效及低待機(jī)能耗的AC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓" title="穩(wěn)壓">穩(wěn)壓器
- 不同電流電平的DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
- 不同電流電平的線性LDO穩(wěn)壓器
- 智能電表的省電設(shè)計(jì)方法
前言
近年來(lái)，世界各國(guó)均發(fā)展智能電網(wǎng)，智能電表在這應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，可以使用戶與電力系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，如一方面幫助電力機(jī)構(gòu)精確了解用戶的用電規(guī)律，為高峰用電或低谷用電設(shè)定差異化的電價(jià)；另一方面，用戶也可以調(diào)整自己的用電計(jì)劃，節(jié)省電費(fèi)支出。
一、智能電表電源設(shè)計(jì)方案
從智能電表的組成來(lái)看，主要包括通信、電源及電源管理" title="電源管理">電源管理、計(jì)量及存儲(chǔ)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(gè)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(dòng)器、放大器、穩(wěn)壓、監(jiān)控、電壓保護(hù)、溫度傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器、LCD背光、 I/O接口、智能卡接口和I/O擴(kuò)展器等。
其中，就電源及電源管理模塊(參見(jiàn)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、直流-直流(DC- DC)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器/控制器和低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器等(參見(jiàn)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(diǎn)，非常適合智能電表應(yīng)用。
提供高能效及低待機(jī)能耗的AC-DC開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓 器、適合中等功率應(yīng)用的NCP1027高壓?jiǎn)纹_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，以及高壓門控開(kāi)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(qiáng)固及低成本開(kāi)關(guān)電源所需的全部特性，包括軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定點(diǎn)及動(dòng)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(kāi)關(guān)；而當(dāng)電流設(shè)定點(diǎn)降到低于某個(gè)給定值(如輸出功率需求消失)時(shí)，NCP101x自動(dòng)進(jìn)入所謂的跳周期模式(在此模式下跳除不需要的 開(kāi)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(shí)，故沒(méi)有可聽(tīng)噪聲產(chǎn)生。因此，待機(jī)能耗降至最低，且沒(méi)有可聽(tīng)噪 聲產(chǎn)生。NCP101x典型應(yīng)用電路及不同型號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)參見(jiàn)圖2。
NCP1027則為目標(biāo)輸出功率等級(jí)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(dòng)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(bǔ)償、過(guò)功率保 護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)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(jī)/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(jī)能耗要求的單片開(kāi)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?cè)?00、 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(dòng)穩(wěn)壓器電路，使轉(zhuǎn)換器變壓器上無(wú)需輔助偏置繞組。其它特性包括故障檢測(cè)器及可編程定時(shí)器(用于轉(zhuǎn)換器過(guò)載保護(hù))、獨(dú) 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(kāi)關(guān)限流、帶遲滯的輸入欠壓鎖定、熱關(guān)閉及自動(dòng)重啟故障檢測(cè)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器方案，如3 A 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器NCP3155、1.5 A開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器NCP3063/4、0.5/1.0/3 A開(kāi)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(gè)版本。NCP3155包含全 集成電源開(kāi)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(guò)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(jiàn)圖3。
NCP3063及NCP3064是1.5 A升壓、降壓及反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，包含內(nèi)置溫度補(bǔ)償參考、比較器、占空比受控振蕩器及有源限流電路、驅(qū)動(dòng)器及大電流開(kāi)關(guān)。這系列器件的設(shè)計(jì)專門針對(duì)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(kāi)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(jī)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。與常見(jiàn)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(kāi)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(jī)電流典型值為50μA，LM2596為80 μA)、輸出開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率。保護(hù)特性包括無(wú)損耗限流、短路保護(hù)、輸出過(guò)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(kāi)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(jì)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(jī)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(méi)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。
二、智能電表的省電管理方案
智能電表最初的安裝目的是提升遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)等業(yè)務(wù)的效率。有了智能電表，每戶的電力需求可以詳細(xì)把握，并可以根據(jù)需要只啟動(dòng)必要數(shù)量的發(fā)電與配電設(shè) 備。雖然智能電表需要成本和安裝費(fèi)用，但是可以控制對(duì)發(fā)電與配電設(shè)備的投資。此外，近年來(lái)智能電表控制高峰需求期電力消費(fèi)量的效果也越來(lái)越明顯。電力公司 利用智能電表向用戶發(fā)送電力相關(guān)信息(消費(fèi)量與單價(jià)等)，從而根據(jù)需求響應(yīng)減少電力消費(fèi)量。
作為智能電網(wǎng)中最為基礎(chǔ)的設(shè)備之一，智能電表本身的節(jié)能技術(shù)也在不斷受到關(guān)注。因?yàn)橹悄茈姳硇枰褂脤Ｓ玫碾姵兀绻悄茈姳砗芎碾姡姵氐膲勖蜁?huì)縮 短，表內(nèi)電池電量不足還會(huì)影響計(jì)量和用戶用電。要為數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的智能電表更換電池對(duì)電力公司和用戶都是一件繁瑣和耗費(fèi)成本的事。
電源管理和穩(wěn)壓方案：
在解決智能電表的耗電問(wèn)題這方面安森美半導(dǎo)體有豐富的器件可供使用，比如在AC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面，有用于低功率離線電源的自供電高電壓?jiǎn)纹_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器NCP1010-4、用于 中等功率離線電源的單片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器NCP1027、高電壓門控振蕩器單片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器NCP1050-5；在DC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面，有3A開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 NCP3170和NCP3155、1.5開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或用作高達(dá)5A控制器的NCP3063/4、0.5A/1.0 A/3A開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM2594/5/6、PWM控制器NCP3020/11和NCP1034；在LDO方面，有500mA LDO線性穩(wěn)壓器NCP5500、200mA輸出LDO線性穩(wěn)壓器NCP4588、50/150mA線性穩(wěn)壓器NCP4640/1、100mA LDO線性穩(wěn)壓器LP2951和80mA LDO線性穩(wěn)壓器NCP562。這些產(chǎn)品在應(yīng)用中的位置如圖1所示。這些電源方案具有高能效、低能耗及豐富的保護(hù)特性等特點(diǎn)，非常適合智能電表應(yīng)用。
圖5：適合智能電表應(yīng)用電源管理和穩(wěn)壓產(chǎn)品
配置和調(diào)校用EEPROM方案：
智能電表涉及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題，需要使用安全可靠的存儲(chǔ)器。安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供了豐富的存儲(chǔ)器（如EEPROM、SRAM）解決方案。其中的 EEPROM主要用于智能電表的配置和校準(zhǔn)，密度涵蓋從1 kb到1 Mb，編程/擦除周期高達(dá)100萬(wàn)次，可在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)工作。這些產(chǎn)品采用I2C、SPI或MicroWire等不同接口類型，其中I2C接口產(chǎn)品也 涉及完全陣列寫(xiě)保護(hù)、部分陣列寫(xiě)保護(hù)及專用等不同類型。圖2是安森美半導(dǎo)體EEPROM產(chǎn)品的分類。安森美半導(dǎo)體還推出了一款用戶友好的便攜式編程工具 EasyPRO?，用戶可以用它進(jìn)行串行EEPROM（I2C、SPI、MICROWIRE）的編程，非常方便實(shí)用。
圖6：安森美半導(dǎo)體的EEPROM產(chǎn)品
圖7：安森美半導(dǎo)體的EEPROM編程工具
最近，安森美半導(dǎo)體又新推出了幾款EEPROM器件，包括CAT24M01、CAT24C512和CAT24M01，數(shù)據(jù)保持期高達(dá)100年。這些 串行EEPROM的工作溫度范圍為-40℃至+125℃，采用0.18微米(μm)低功耗CMOS工藝制造，無(wú)疑是降低智能電表能耗的最佳選擇。
I/O擴(kuò)展芯片和邏輯轉(zhuǎn)換器：
安森美半導(dǎo)體的I2C I/O擴(kuò)展芯片通過(guò)I2C總線或SMBus提供16位通用I/O功能。I/O口擴(kuò)展芯片可用于MCU/DSP通用I/O口的擴(kuò)展，通過(guò)I2C擴(kuò)展成8或 16位GPIO。當(dāng)應(yīng)用中需要額外的I/O口來(lái)連接ACPI電源開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、LED、風(fēng)扇等時(shí)，可使用I/O擴(kuò)展器件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的解決方案。I/O 擴(kuò)展芯片的輸出可直接驅(qū)動(dòng)LED、風(fēng)扇、繼電器等開(kāi)關(guān)控制；輸入為鍵盤(pán)、定時(shí)器/傳感器等檢測(cè)輸入，帶中斷功能。對(duì)于遠(yuǎn)距離很多個(gè)控制觸點(diǎn)與主機(jī)之間的通 訊，采用I2C I/O擴(kuò)展技術(shù)，可大大簡(jiǎn)化多股排線布線不便的問(wèn)題。這方面的產(chǎn)品有PCA9655E、PCA9535E、PCA9535EC、PCA9639E和 PCA9639ER。例如，PCA9655E提供了一個(gè)開(kāi)-漏中斷輸出，當(dāng)任何輸入狀態(tài)與其對(duì)應(yīng)的輸入端口寄存器狀態(tài)不同時(shí)，該功能就被激活。中斷輸出用 來(lái)為系統(tǒng)主控提供改變了的輸入狀態(tài)。上電復(fù)位可設(shè)置寄存器的默認(rèn)值，并初始化器件狀態(tài)機(jī)。三個(gè)硬件引腳（AD0、AD1、AD2）用于配置器件I2C總線 從地址。允許多達(dá)64個(gè)器件共享同一個(gè)I2C總線和SMBus，這一特點(diǎn)為應(yīng)用提供了極大的靈活性。
安森美半導(dǎo)體的邏輯轉(zhuǎn)換器是一種雙電源電壓邏輯轉(zhuǎn)換器，可以連接在不同的供電電壓下工作的IC和印刷電路板。這類采用獨(dú)立電源（VL
圖8：采用邏輯轉(zhuǎn)換器的互連
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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、DC-DC開(kāi)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，文中我們也提到了智能電表的省電設(shè)計(jì)方案包括電源管理和穩(wěn)壓方案配置和調(diào)校用EEPROM方案以及利用 I/O擴(kuò)展芯片和邏輯轉(zhuǎn)換器等，通過(guò)這些方面的內(nèi)容介紹，相信我們對(duì)智能電表的電源管理和省電設(shè)計(jì)方案有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。