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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照明過渡，傳統電網向的智能電網生態系統過渡，傳統汽車向電動汽車/混合動力汽車過渡，以及高能效電源和電機驅動越來越受重視。 以智能電網為例，它是完全自動化的分布式供電系統(從發電到用電)，集成了雙向通信智能電表及信息技術，旨在提升能效及可持續的電力服務。智能電網涉及電力、通信及應用等多個層次，涵蓋家庭區域網(HAN)、鄰域網(NAN)和廣域網(WAN)等不同類型。雙向通信智能電表的部署，有助于推動以HAN為基礎的智能家庭市場的增長。消費者重視通過智能手機及平板電腦進行任務操作的便利性，智能家庭的趨勢就是使消費者能夠透過這些設備來控制家中智能電器。應用智能技術的電器制造商能夠提供家庭能源管理服務，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機構浮動收費來認識智能電器的顯著節電價值。 圖1：智能電網概念示意圖。 安森美半導體身為全球領先的半導體供應商，積極推動高能效創新，為智能電網、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 在智能電網中，雙向通信的智能電表發揮關鍵作用，一方面幫助電力機構精確了解用戶的用電規律，為高峰用電或低谷用電設定差異化的電價，另一方面，用戶也可以合理調整自己的用電計劃，從而優化電費支出。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，雙向實時通信是智能電網的重要特征，故通信模塊至關重要，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)就這一段的網絡連接而言，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。常見的通信方式有無線網絡，或有線的電力線載波(PLC)或電力線寬帶(BPL)等。具體采用何種通信方式，需要考慮各國電網實際狀況等因素，同時先行先試國家的做法也會提供借鑒意義。 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機構建立有悠久的協作及公共合作關系，幫助我們針對特定終端市場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多萬個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抄表(AMR)應用。 安森美半導體的PLC產品及方案包括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提供市場上最高的PLC驅動能力，NCN49597和NCN49599提供重要突破及可用于后續產品的方案。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、建筑物自動化、太陽能發電、路燈及工業控制等應用。NCN49599基于雙4,800波特S-FSK通道技術，提供市場上最高的每通道波特率，優化了能效和性能，同時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)，可配合現場升級，并能夠嵌入客戶專用協議及要求。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，用于智能電網應用。這器件包含10個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 在智能家庭及工業市場，遠程抄表應用快速增長。安森美半導體配合這應用需求，推出用于雙線式儀表總線(M-BUS)從機及中繼器的NCN5150單芯片集成從收發器，用于多能源、供暖/冷氣表、水表、燃氣表等應用。這收發器利用安森美半導體先進的混合信號技術訣竅，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/發射器(UART)通信速度，包含達2個單位負載(SOIC封裝版本)或6個單位負載(QFN封裝版本)的可編程功率等級，可通過集成的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，而低壓總線工作(低至9.2 V)配合在擴展型M-BUS網絡中工作。 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境。這器件與極性無關，其它關鍵特性包括掉電保護功能、快速啟動，并能夠配合從總線或外部電源為從設備供電。 3) 家居及樓宇自動化控制KNX收發器方案 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、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雙絞線網絡((KNX TP1-256))的NCN5120收發器，用于處理總線上的數據發射和接收，支持連接建筑物網絡中的致動器(actuator)、傳感器、微控制器、開關或其它應用。 圖7：NCN5120 KNX收發器產品及應用示意圖。 NCN5120內置混合信號技術，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總線電流斜坡，并且提供KNX總線電壓監控功能。NCN5120還提供20 V穩壓器及兩個高能效DC-DC轉換器，從總線產生3.3 V固定電壓及可調節的3.3 V至21 V穩壓電壓，各自的驅動電流能力均為100毫安(mA)。 這收發器適合大功率應用，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，因為它具備可選擇扇入(fan-in)模式、總線電壓及溫度監測等特性。NCN5120的其它重點特性和優勢包括：發送數據幀緩沖、可選自動確認、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、完整的時鐘系統(采用業界標準低成本16 MHz石英工作，能為外部MCU產生8/16 MHz時鐘)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險，被要求用于檢測接地-中性故障(三線)。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)來降低觸電事故及著火風險。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和中線導線電流之差，并在超過閾值的條件下觸發斷路器/開關。 安森美半導體提供NCS370xx系列GFCI信號處理器，用于火線-中性-地線保護。這系列器件采用專有測量方法，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提供優異的抗噪性能，提供LED及蜂鳴器選擇，能夠觸發指示器/負載監視，其響應時間取決于故障電流。這系列器件目前包括NCS37000、NCS37005、NCS37010、NCS37012及NCS37007ST RCD等，其簡要功能簡介如表1所示。 表1：安森美半導體NCS370xx系列GFCI產品功能概覽。 總結 安森美半導體為智能電網、智能家庭、智能樓宇控制等應用提供豐富的產品及方案。本文重點介紹了安森美半導體用于此類應用的PLC通信方案、遠程抄表M-Bus從收發器方案、樓宇自動化控制KNX收發器方案以及安全保護方案，幫助設計工程師開發配合智能電網及智能家庭/樓宇自動化技術發展趨勢的產品，從而在市場上占據更有利位置。 |
