高能效智能電表電源方案

　　從智能電表的組成來看，主要包括通信、電源及電源管理、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)開關(guān)穩(wěn)壓器、直流-直流(DC-DC)開關(guān)穩(wěn)壓器/控制器和低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器等(參見表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。

　　圖1：智能電表電源及電源管理模塊框圖。

　　表1：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表電源及電源管理模塊的器件列表。

　　提供高能效及低待機(jī)能耗的AC-DC開關(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自供電單片開關(guān)穩(wěn)壓器、適合中等功率應(yīng)用的NCP1027高壓單片開關(guān)穩(wěn)壓器，以及高壓門控開關(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)，故沒有可聽噪聲產(chǎn)生。因此，待機(jī)能耗降至最低，且沒有可聽噪聲產(chǎn)生。NCP101x典型應(yīng)用電路及不同型號的關(guān)鍵參數(shù)參見圖2。

　　圖2：NCP101x單片開關(guān)穩(wěn)壓器典型應(yīng)用電路及不同器件關(guān)鍵參數(shù)。

　　NCP1027則為目標(biāo)輸出功率等級為數(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、過功率保護(hù)、短路保護(hù)、過壓保護(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，它們在100、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)換器變壓器上無需輔助偏置繞組。其它特性包括故障檢測器及可編程定時(shí)器(用于轉(zhuǎn)換器過載保護(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開關(guān)穩(wěn)壓器方案，如3 A 開關(guān)穩(wěn)壓器NCP3155、1.5 A開關(guān)穩(wěn)壓器NCP3063/4、0.5/1.0/3 A開關(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)用電路圖參見圖3。

　　圖3：NCP3155A典型應(yīng)用電路圖。

　　NCP3063及NCP3064是1.5 A升壓、降壓及反轉(zhuǎn)開關(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)器及大電流開關(guān)。這系列器件的設(shè)計(jì)專門針對升壓、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降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。與常見的三端線性穩(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的開關(guān)頻率。保護(hù)特性包括無損耗限流、短路保護(hù)、輸出過壓保護(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。

　　圖4：NCP4588在省去輸出電容的情況下仍能保持穩(wěn)定工作。

　　安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表的其它解決方案

　　如上所述，安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供豐富的解決方案，除了上述電源及電源管理方案，還包括電力線載波(PLC)調(diào)制解調(diào)器，以及豐富的存儲(chǔ)器(EEPROM及SRAM)、時(shí)鐘、接口、保護(hù)/濾波產(chǎn)品等，構(gòu)成我們應(yīng)用于智能電表的完整解決方案。

　　例如，安森美半導(dǎo)體推出了支持2.4 kb的更高半雙工可調(diào)節(jié)通信速率、符合IEC61334-5-1標(biāo)的AMIS-49587高集成度低功率PLC調(diào)制解調(diào)器方案，以及能驅(qū)動(dòng)高達(dá)2 A電流的高能效的A/B類低失真線路驅(qū)動(dòng)器——NCS5650，能夠很好地配合智能電表PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

　　圖5：應(yīng)用于智能電表通信模塊的PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動(dòng)器方案。

　　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開關(guān)穩(wěn)壓器、DC-DC開關(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，安森美半導(dǎo)體還為智能電表應(yīng)用提供其它功能模塊的豐富方案，如PLC調(diào)制解調(diào)器及線路驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器(EEPROM及SRAM)、時(shí)鐘、接口、保護(hù)/濾波產(chǎn)品等，構(gòu)成應(yīng)用于智能電表的完整解決方案。