中心議題：

• 探究應(yīng)用于智能電表電源及電源管理模塊

解決方案：

• 提供高能效及低待機(jī)能耗的 AC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器
• 提供不同電流電平的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器
• 提供不同電流電平的線性 LDO 穩(wěn)壓器

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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，半導(dǎo)體廠商提供的產(chǎn)品包括高壓交流-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。

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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 ? 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(hào)的關(guān)鍵參數(shù)參見圖 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?cè)?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(cè)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(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 680mA 之間。

提供不同電流電平的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器

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 m? 高端 FET 及18 m? 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。

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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(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

半導(dǎo)體廠商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。

應(yīng)用于智能電表的其它解決方案

如上所述，半導(dǎo)體廠商為智能電表應(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。