配合智能电网及智能家庭趋势的工业通信及安全保护方案

如今，全球能源需求不断增加，加速消耗现有资源，促使各国政府制定更积极的节能目标和更严格的高能效标准，由此产生一系列的积极影响。如传统低能效的白炽灯照明正加速向LED照明过渡，传统电网向的智能电网生态系统过渡，传统汽车向电动汽车/混合动力汽车过渡，以及高能效电源和电机驱动越来越受重视。
以智能电网为例，它是完全自动化的分布式供电系统(从发电到用电)，集成了双向通信智能电表及信息技术，旨在提升能效及可持续的电力服务。智能电网涉及电力、通信及应用等多个层次，涵盖家庭区域网(HAN)、邻域网(NAN)和广域网(WAN)等不同类型。双向通信智能电表的部署，有助于推动以HAN为基础的智能家庭市场的增长。消费者重视通过智能手机及平板电脑进行任务操作的便利性，智能家庭的趋势就是使消费者能够透过这些设备来控制家中智能电器。应用智能技术的电器制造商能够提供家庭能源管理服务，用于远程监控及操作。消费者也需要根据智能电表及公用事业机构浮动收费来认识智能电器的显著节电价值。


图1：智能电网概念示意图。

安森美半导体身为全球领先的半导体供应商，积极推动高能效创新，为智能电网、智能家庭、智能楼宇控制等应用提供多种通信及安全保护方案。

1) 智能电表PLC通信方案
在智能电网中，双向通信的智能电表发挥关键作用，一方面帮助电力机构精确了解用户的用电规律，为高峰用电或低谷用电设定差异化的电价，另一方面，用户也可以合理调整自己的用电计划，从而优化电费支出。智能电表包含不同功能模块，除了电源和计量模块外，还涉及到数据存储功能，需采用安全可靠的存储器；此外，双向实时通信是智能电网的重要特征，故通信模块至关重要，需要选择适合的通信方式及相应的最佳解决方案。


图2：智能电表关键功能模块。

就家庭或建筑物中的智能电表到数据集中器(concentrator)就这一段的网络连接而言，它们通常对通信速率的要求不高，最主要的考虑因素是降低成本。常见的通信方式有无线网络，或有线的电力线载波(PLC)或电力线宽带(BPL)等。具体采用何种通信方式，需要考虑各国电网实际状况等因素，同时先行先试国家的做法也会提供借鉴意义。
就安森美半导体而言，我们与数家大型欧洲及亚洲电表和公共事业机构建立有悠久的协作及公共合作关系，帮助我们针对特定终端市场定义及调整器件设计。我们在世界各地电表应用中部署了500多万个PLC器件，包括法国EDF旗下公司法国配电公司(ERDF)的Linky智能电表项目，以及中国上海外滩基于PLC的智能路灯方案中。


图3：使用安森美半导体PLC调制解调器方案的典型自动抄表(AMR)应用。

安森美半导体的PLC产品及方案包括AMIS49587、NCN49597等调制解调器，NCS5650功率放大器，以及集成了PLC调制解调器和功率放大器的NCN49599系统级芯片(SoC)等。其中，NCS5650提供市场上最高的PLC驱动能力，NCN49597和NCN49599提供重要突破及可用于后续产品的方案。安森美半导体的PLC调制解调器系列符合公用事业机构要求，符合IEC61334-5-1标准，提供不同供应商之间的互操作性能力。
以NCN49599为例，这器件为窄带PLC通信提供整体方案。NCN49599集成了低能耗32位ARMCortexM0处理器及高精度模拟前端和AB类功率放大器，成本更低，用于智能电表/分体式电表、建筑物自动化、太阳能发电、路灯及工业控制等应用。NCN49599基于双4,800波特S-FSK通道技术，提供市场上最高的每通道波特率，优化了能效和性能，同时提供极佳的强固性和可靠性。它包含可编程嵌入式软件(32 kB)，可配合现场升级，并能够嵌入客户专用协议及要求。它提供现成的IEC61334-5-1及定制PL110(PHY+MAC+LLC)堆栈，支持多种标准及应用。这器件提供多载波选择，用于提供更高速度及强固性。NCN49599支持Cenelec A至D频段可编程载波频率，支持150 kHz的更宽频段，用于智能电网应用。这器件包含10个GPIO，易于连接至LED、LCD、仪表IC等外设。它采用QFN56 8 x 8 mm封装，支持-40至+125℃的结点温度范围。


图4：NCN49599 S-FSK PLC调制解调器典型应用电路图。

2) 远程抄表M-Bus方案
在智能家庭及工业市场，远程抄表应用快速增长。安森美半导体配合这应用需求，推出用于双线式仪表总线(M-BUS)从机及中继器的NCN5150单芯片集成从收发器，用于多能源、供暖/冷气表、水表、燃气表等应用。这收发器利用安森美半导体先进的混合信号技术诀窍，为这些应用提供所要求的性能等级，不仅符合标准，还提供强固性、高能效、速度和灵活性。


图5：M-Bus应用示意图。

NCN5150提供符合描述M-BUS物理层要求的EN 13757-2和EN 1434-3标准所要求的全部功能，提供达38,400波特(baud)的通用异步接收器/发射器(UART)通信速度，包含达2个单位负载(SOIC封装版本)或6个单位负载(QFN封装版本)的可编程功率等级，可通过集成的3.3 V低压降(LDO)稳压器用于外部电路。低内部能耗使应用中传感器能够获得更多电能，而低压总线工作(低至9.2 V)配合在扩展型M-BUS网络中工作。


图6：针对远程抄表应用的NCN5150单芯片集成M-Bus从收发器典型应用电路图。

NCN5150提供SOIC-16及QFN-20封装选择。SOIC-16与当前市场上已有器件引脚对引脚兼容，外加多处性能提升。QFN封装的尺寸使其非常适用于数量不断增长的空间受限型应用。 NCN5150提供-40 ℃至+85 ℃的宽工作温度范围，使其非常适用于各种通常不可预测的工作环境。这器件与极性无关，其它关键特性包括掉电保护功能、快速启动，并能够配合从总线或外部电源为从设备供电。

3) 家居及楼宇自动化控制KNX收发器方案
KNX是一种针对各种家居及楼宇控制应用的全球性标准，涵盖从照明及百叶窗控制到各种保安系统、供暖、通风、空调、监视、报警、水控制、能源管理、仪表及家用电器、音响等应用。安森美半导体推出了用于KNX双绞线网络((KNX TP1-256))的NCN5120收发器，用于处理总线上的数据发射和接收，支持连接建筑物网络中的致动器(actuator)、传感器、微控制器、开关或其它应用。


图7：NCN5120 KNX收发器产品及应用示意图。

NCN5120内置混合信号技术，在单片集成电路(IC)中集成了模拟前端、数字处理能力及电源功能。集成的KNX EIB收发器包含嵌入式物理层(PHY)及媒体存取控制器(MAC)层，提供9,600波特通信速度(TP1)，可选择KNX总线电流斜坡，并且提供KNX总线电压监控功能。NCN5120还提供20 V稳压器及两个高能效DC-DC转换器，从总线产生3.3 V固定电压及可调节的3.3 V至21 V稳压电压，各自的驱动电流能力均为100毫安(mA)。
这收发器适合大功率应用，其设计旨在减少外围器件，成本更低，还支持安全及可靠地耦合至总线，因为它具备可选择扇入(fan-in)模式、总线电压及温度监测等特性。NCN5120的其它重点特性和优势包括：发送数据帧缓冲、可选自动确认、支持模拟模式、支持休眠模式、可选择UART或SPI接口、可选择至主控制器的波特率、完整的时钟系统(采用业界标准低成本16 MHz石英工作，能为外部MCU产生8/16 MHz时钟)等。这器件采用QFN40 6x6 mm封装，工作温度范围为-25℃至+85℃。

4) 符合UL943安全保护标准的GFCI信号处理器
接地故障断路器(GFCI)是针对北美地区法规要求的一种特殊保护设备，用于防止触电事故风险，被要求用于检测接地-中性故障(三线)。GFCI的参考标准是UL943，涵盖美国标准。而在欧洲等地区，法规要求使用残余电流保护装置(RCD)来降低触电事故及着火风险。RCD的参考标准是IEC 61008及IEC 61009，涵盖欧洲标准。GFCI和RCD的工作原理都是感测火线和中线导线电流之差，并在超过阈值的条件下触发断路器/开关。
安森美半导体提供NCS370xx系列GFCI信号处理器，用于火线-中性-地线保护。这系列器件采用专有测量方法，提供高集成度方案，帮助减少外围元件数量，控制成本，尤其是可以减少额外的电流互感器。NCS370xx提供优异的抗噪性能，提供LED及蜂鸣器选择，能够触发指示器/负载监视，其响应时间取决于故障电流。这系列器件目前包括NCS37000、NCS37005、NCS37010、NCS37012及NCS37007STRCD等，其简要功能简介如表1所示。


表1：安森美半导体NCS370xx系列GFCI产品功能概览。

总结
安森美半导体为智能电网、智能家庭、智能楼宇控制等应用提供丰富的产品及方案。本文重点介绍了安森美半导体用于此类应用的PLC通信方案、远程抄表M-Bus从收发器方案、楼宇自动化控制KNX收发器方案以及安全保护方案，帮助设计工程师开发配合智能电网及智能家庭/楼宇自动化技术发展趋势的产品，从而在市场上占据更有利位置。