安森美針對(duì)智能電表PLC通信應(yīng)用的線路驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

在方興未艾的智能電網(wǎng)應(yīng)用中，智能電表發(fā)揮關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)人員需要為智能電表與數(shù)據(jù)集中器之間的通信選擇適合的通信方式。而電力線載波(PLC)技術(shù)利用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用已有的電力配電網(wǎng)進(jìn)行通信，不需要重新布線，信號(hào)不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，而且成本相對(duì)較為低廉，故在智能電表以及路燈和智能插頭等應(yīng)用中頗受青睞。當(dāng)今世界上許多國(guó)家或地區(qū)都已經(jīng)或即將部署智能電表系統(tǒng)，并采用 PLC 自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表方式。如歐盟要求成員國(guó)在 2022 年前將電表全部更換為智能電表。一些業(yè)界先導(dǎo)公司及其先期試驗(yàn)項(xiàng)目也頗具示范及借鑒意義。如法國(guó)啟動(dòng)了備受業(yè)界關(guān)注的 Linky 電表項(xiàng)目，計(jì)劃在 2012 年到 2017 年間，將法國(guó)的 3,500 萬(wàn)只傳統(tǒng)電表統(tǒng)一更新為 Linky 智能電表。這個(gè)項(xiàng)目為智能電表到數(shù)據(jù)集中器之間的通信選擇了 PLC 技術(shù)，然后再利用通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到該公司的數(shù)據(jù)中心。

圖 1：典型的 PLC 智能電表網(wǎng)絡(luò)示意圖。

PLC 智能電表應(yīng)用涉及 PLC 電表(單相或三相)、數(shù)據(jù)集中器、耦合變壓器及相關(guān)電纜等組件。圖1 顯示的是典型的 PLC 智能電表網(wǎng)絡(luò)示意圖。由圖可見，為數(shù)眾多的 PLC 智能電表通過電力線連接至數(shù)據(jù)集中器，然后再藉 GPRS、GSM 或以太網(wǎng)等方式將數(shù)據(jù)從集中器傳送至電力機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)信號(hào)在 PLC 電表網(wǎng)絡(luò)中的傳輸包含發(fā)送和接收兩方面。在發(fā)送路徑方面，集成在電表中的PLC 調(diào)制解調(diào)器調(diào)制出 S-FSK 信號(hào)，經(jīng)過 PLC 線路驅(qū)動(dòng)器放大和濾波后，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，也用于強(qiáng)電(特點(diǎn)是電壓高、電流大、功率大、頻率低，處理的對(duì)象是電力)和弱電(特點(diǎn)是電壓低、電流小、功率小、頻率高，處理的對(duì)象是信息)的隔離。在接收路徑方面，變壓器從電力線耦合過來的信號(hào)經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器內(nèi)置放大器構(gòu)成的低通濾波器后傳送至應(yīng)用微控制器進(jìn)行 FSK 解調(diào)分析。

如上所述，線路驅(qū)動(dòng)在 PLC 通信應(yīng)用中用于功率發(fā)射部分，是 PLC 的重要組成部分(參見圖 2)，故需要為應(yīng)用選擇適合的 PLC 線路驅(qū)動(dòng)器。這樣的線路驅(qū)動(dòng)器要求具有大輸出電流能力、低壓安森美半導(dǎo)體針對(duì)智能電表 PLC 通信應(yīng)用的線路驅(qū)動(dòng)器降、低諧波失真、寬工作溫度范圍和便于散熱等特性。此外，前述 ERDF 的 Linky 項(xiàng)目需要符合嚴(yán)格的歐洲 EN-50065 規(guī)范，故除了調(diào)制解調(diào)器，參照此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，線路驅(qū)動(dòng)器也需要配合遵從這規(guī)范。

圖 2：線路驅(qū)動(dòng)器是智能電表 PLC 通信應(yīng)用的重要組成部分。

安森美半導(dǎo)體 NCS5650 PLC 線路驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)

安森美半導(dǎo)體針對(duì)PLC線路驅(qū)動(dòng)應(yīng)用推出了一款高能效的A/B類低失真線路驅(qū)動(dòng)器——NCS5650。這器件的電源電壓(V_CC)為單端 6 至 12 V或雙平衡±3.0 至±6.0 V。NCS5650 的設(shè)計(jì)經(jīng)過了優(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) 2 A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)。如該器件針對(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 2 A 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。

該器件除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大外，集成的兩級(jí)運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)還組成了衰減特性很陡的 4 階低通濾波器，除了幫助減少器件數(shù)量進(jìn)而節(jié)省成本，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，才能夠保證系統(tǒng)對(duì)電力線的高頻干擾注入滿足 EN-50065 規(guī)范的要求。另外，這種結(jié)構(gòu)也使故障告警不需要外部電平轉(zhuǎn)換，可以直接與 MCU 接口。

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) 700 kHz 的全功率帶寬，諧波失真也很低，僅為 0.015 % @ 1 kHz。這器件的功耗也很低，軌到軌壓差低至僅為 0.5 V，工作模式靜態(tài)電流僅為 20 mA，關(guān)斷模式下的電流僅為 150 μA。

NCS5650 支持-40℃到+125℃的寬工作結(jié)溫范圍，具備 160℃過溫關(guān)斷保護(hù)能力。該器件提供兩個(gè)帶磁滯功能的獨(dú)立熱標(biāo)記(flag)，其中一個(gè)是熱警告標(biāo)記，讓用戶知道內(nèi)部結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到用戶設(shè)定的熱警告閾值，另一個(gè)是熱誤差標(biāo)記，提示內(nèi)部結(jié)溫已超過 150℃。NCS5650 采用 4 mm x 4mm QFN20 小型封裝，帶導(dǎo)熱板，易于散熱。

值得一提的是，NCS5650 除了可以用于 PLC 智能電表，還可應(yīng)用于音頻次重低音揚(yáng)聲器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、智能電器、閥/制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和測(cè)試設(shè)備等應(yīng)用。

NCS5650 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

前面介紹了 NCS5650 的主要優(yōu)勢(shì)，接下來我們就分析這器件的一些典型應(yīng)用設(shè)計(jì)，如多點(diǎn)反饋(MFB)濾波器設(shè)計(jì)、限流點(diǎn)設(shè)定和過流告警、過溫關(guān)斷告警及設(shè)定等。

實(shí)際上，歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì) EN-50065-1 是一項(xiàng)針對(duì)頻率范圍在 3 kHz 到 148.5 kHz 范圍之間的低壓電氣設(shè)備信令的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。更具體地講，這標(biāo)準(zhǔn)的第一部分涉及的注入到電氣主電源上的頻段及電磁干擾。符合這要求的一種可行方法就是在調(diào)制解調(diào)器輸出與連接至交流主電源的隔離變壓器之間設(shè)置 4 階濾波器。我們可以采用 MFB 濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來幫助符合這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。4 階點(diǎn)濾波器要求應(yīng)用 2 個(gè)運(yùn)算放大器。而安森美半導(dǎo)體的 NCS5650 擁有輸入預(yù)放大器和輸出功率放大器(參見圖 2)，因此僅需要電阻和電容等無(wú)源元件。這也是我們需要計(jì)算的對(duì)象。輸入預(yù)放大器的電路圖如圖 3(a)所示，而 4 階低通濾波效果見 3(b)。

圖 3：NCS5650 的輸入預(yù)放大器電路圖(a)及 4 階低通濾波效果(b)。

這輸入預(yù)放大器的增益函數(shù)如下所示：

再結(jié)合其它公式(參見參考資料 1)的情況下，就可以計(jì)算出R₁、R₂和R₃的值。

在NCS5650 應(yīng)用設(shè)計(jì)中，限流點(diǎn)設(shè)定也很重要。實(shí)際上，NCS5650 的 2 A輸出電流可以通過在引腳 15 與V_EE(放大器負(fù)電源，引腳 10 或 11)之間簡(jiǎn)單增加一顆限流電阻(RLimit⁾來設(shè)定。流出或流入功率放大器的電流超過設(shè)定點(diǎn)時(shí)，過流告警I_LIM標(biāo)記會(huì)變?yōu)檫壿嫺唠娖?，提示用戶采取必要措施。過流消失(即輸出電流恢復(fù))后，I_LIM標(biāo)記將恢復(fù)為邏輯低電平。限流設(shè)定公式為：

I_LIM=(1.215/R_CL)×8197。

此外，在負(fù)載比較大或過流的情況下，放大器溫度將升高，內(nèi)部結(jié)溫超過 160 度時(shí)，器件將進(jìn)入關(guān)斷模式以防止受損，這時(shí)引腳 17 的TSD標(biāo)記會(huì)變?yōu)檫壿嫺唠娖?；結(jié)溫回落到約 145 度以下時(shí)，器件恢復(fù)為啟用模式。如果用戶想避免放大器進(jìn)入過熱關(guān)斷狀態(tài)，可以通過熱告警功能來監(jiān)測(cè)結(jié)溫。用戶可以通過在引腳 14 上施加相應(yīng)電壓來選擇 105℃至 145℃范圍之間的任意告警結(jié)溫(Twarn)?？梢杂靡环N簡(jiǎn)單的方法來應(yīng)用這種功能，即設(shè)定V_CC(引腳 6、7)與V_EE之間的分壓器的比例。設(shè)定NCS5650 熱告警溫度要求的電壓比的計(jì)算公式為：VTW=6.665×10^-3(T_J)+1.72。|

安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供完整方案

安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供完整的解決方案，除了上述 PLC 線路驅(qū)動(dòng)器，還提供新的符合ERDF 規(guī)范的 PLC 調(diào)制解調(diào)器 AMIS-49587 以及經(jīng)過了 8 年工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢測(cè)的 AMIS-30585。其中，AMIS-49587 支持 2.4 kb 的半雙工可調(diào)節(jié)通信速率，目前已經(jīng)獲得法國(guó)原設(shè)備制造商(OEM)的先期使用，在中國(guó)也已獲得數(shù)家領(lǐng)先電表客戶的選用。此外，安森美半導(dǎo)體提供用于電源管理、測(cè)量和存儲(chǔ)等關(guān)鍵功能的解決方案。如在電源管理模塊，可以應(yīng)用安森美半導(dǎo)體的NCP1014、NCP1015 等 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，LM2596、NCP3063 和 CS51411 等 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，MC78L05、MC7805、CAT6217 和 CAT6219 等低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，以及 NTMFS4823 等中壓及高壓 FET。此外，在智能電表應(yīng)用中，也可采用安森美半導(dǎo)體系列 EEPROM、SDRM 等存儲(chǔ)器，以及 ESD/TVS、SIM 卡接口、邏輯、USB 保護(hù)、監(jiān)控、I/O 擴(kuò)展、時(shí)鐘和溫度傳感器等。

總結(jié)：

在方興未艾的智能電網(wǎng)應(yīng)用中，智能電表發(fā)揮關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)人員需要為 PLC 智能電表通信選擇適合的線路驅(qū)動(dòng)器方案。安森美半導(dǎo)體用于 PLC 的線路驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品 NCS5650 符合嚴(yán)格的歐洲EN-50065 規(guī)范，并提供多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，非常適合 PLC 線路驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，同時(shí)還可拓展至更寬應(yīng)用范圍。安森美半導(dǎo)體更為智能電表應(yīng)用提供包括電源/電源管理及保護(hù)、通信、測(cè)量和存儲(chǔ)等關(guān)鍵功能的完整解決方案，方便客戶的選擇，幫助他們降低采購(gòu)成本及加快產(chǎn)品上市。

參考資料：

1、《安森美半導(dǎo)體線路驅(qū)動(dòng)器在PLC中的應(yīng)用》網(wǎng)上廣播演示資料