中心議題：

• 安森美半導(dǎo)體高能效智能電表電源
• 安森美半導(dǎo)體的智能電表省電解決方案

解決方案：

• 高能效及低待機(jī)能耗的AC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器
• 不同電流電平的DC-DC開關(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)計方法

近年來，世界各國均發(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)之間實現(xiàn)互動，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；另一方面，用戶也可以調(diào)整自己的用電計劃，節(jié)省電費支出。

一、智能電表電源設(shè)計方案

從智能電表的組成來看，主要包括通信、電源及電源管理、計量及存儲等功能模塊。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)動器、放大器、穩(wěn)壓、監(jiān)控、電壓保護(hù)、溫度傳感器、實時時鐘、存儲器、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，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、頻率抖動、短路保護(hù)、跳周期、最大峰值電流設(shè)定點及動態(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)定點降到低于某個給定值(如輸出功率需求消失)時，NCP101x自動進(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，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。 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器(用于轉(zhuǎn)換器過載保護(hù))、獨 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。[page]

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。
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)動器及大電流開關(guān)。這系列器件的設(shè)計專門針對升壓、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。
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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用，但是可以控制對發(fā)電與配電設(shè)備的投資。此外，近年來智能電表控制高峰需求期電力消費量的效果也越來越明顯。電力公司 利用智能電表向用戶發(fā)送電力相關(guān)信息(消費量與單價等)，從而根據(jù)需求響應(yīng)減少電力消費量。

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。因為智能電表需要使用專用的電池，如果智能電表很耗電，電池的壽命就會縮 短，表內(nèi)電池電量不足還會影響計量和用戶用電。要為數(shù)以千萬計的智能電表更換電池對電力公司和用戶都是一件繁瑣和耗費成本的事。

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單片開關(guān)穩(wěn)壓器NCP1010-4、用于 中等功率離線電源的單片開關(guān)穩(wěn)壓器NCP1027、高電壓門控振蕩器單片開關(guān)穩(wěn)壓器NCP1050-5；在DC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面，有3A開關(guān)穩(wěn)壓器 NCP3170和NCP3155、1.5開關(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，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)存儲的問題，需要使用安全可靠的存儲器。安森美半導(dǎo)體為智能電表應(yīng)用提供了豐富的存儲器（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 涉及完全陣列寫保護(hù)、部分陣列寫保護(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，非常方便實用。

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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口來連接ACPI電源開關(guān)、傳感器、按鈕、LED、風(fēng)扇等時，可使用I/O擴(kuò)展器件實現(xiàn)簡單的解決方案。I/O 擴(kuò)展芯片的輸出可直接驅(qū)動LED、風(fēng)扇、繼電器等開關(guān)控制；輸入為鍵盤、定時器/傳感器等檢測輸入，帶中斷功能。對于遠(yuǎn)距離很多個控制觸點與主機(jī)之間的通 訊，采用I2C I/O擴(kuò)展技術(shù)，可大大簡化多股排線布線不便的問題。這方面的產(chǎn)品有PCA9655E、PCA9535E、PCA9535EC、PCA9639E和 PCA9639ER。例如，PCA9655E提供了一個開-漏中斷輸出，當(dāng)任何輸入狀態(tài)與其對應(yīng)的輸入端口寄存器狀態(tài)不同時，該功能就被激活。中斷輸出用 來為系統(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個器件共享同一個I2C總線和SMBus，這一特點為應(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。這類采用獨立電源（VL<VCC，VL = VCC或VL> VCC）的器件具有100 pF的高電容驅(qū)動、過壓容限啟用和I/O引腳、非優(yōu)先上電順序和斷電保護(hù)功能，可以為印刷電路板內(nèi)和印刷電路板之間的連接提供靈活的路徑，如圖4所示。

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，文中我們也提到了智能電表的省電設(shè)計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，通過這些方面的內(nèi)容介紹，相信我們對智能電表的電源管理和省電設(shè)計方案有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。