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、計量及存儲等功能模塊。安森美半導體提供應用于智能電表各個功能模塊的豐富解決方案，如 PLC 調制解調器和線路驅動器、放大器、穩壓、監控、電壓保護、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 擴展器等。

　　其中，就電源及電源管理模塊（參見圖 1）而言，半導體廠商提供的產品包括高壓交流-直流（AC-DC）開關穩壓器、直流-直流（DC-DC）開關穩壓器/控制器和低壓降（LDO）線性穩壓器 等（參見表 1），方便用戶根據具體應用選擇適合的方案。這些電源方案具有高能效、低能耗及豐富保護特性等特點，非常適合智能電表應用。

　　圖 1：智能電表電源及電源管理模塊框圖。

　　表 1：應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能耗的 AC-DC 開關穩壓器

　　如表 1 所示，在交流-直流電源轉換部分，可以選用安森美半導體的一系列開關穩壓器，如適合低功率應用的 NCP1010/1/2/3/4 自供電單片開關穩壓器、適合中等功率應用的NCP1027 高壓單片開關穩壓器，以及高壓門控開關穩壓器 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通阻抗為 11 或 22 Ω 的 700 V MOSFET，提供構建強固及低成本開關電源所需的全部特性，包括軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設定點及動態自供電（不需要輔助繞 組）等。在正常負載工作期間，NCP101x 以 65、100 及 130 kHz 中的某一頻率開關；而當電流設定點降到低于某個給定值（如輸出功率需求消失）時，NCP101x 自動進入所謂的跳周期模式（在此模式下跳除不需要的開關周期），從而提供極佳的輕載能效。由于進入跳周期模式通常發生在最大峰值電流的 1/4 時，故沒有可聽噪聲產生。因此，待機能耗降至最低，且沒有可聽噪聲產生。NCP101x 典型應用電路及不同型號的關鍵參數參見圖 2。

　　圖 2：NCP101x 單片開關穩壓器典型應用電路及不同器件關鍵參數。

　　NCP1027 則為目標輸出功率等級為數瓦到 15 W 的通用主電源反激應用提供新的方案。這器件采用安森美半導體專有的高壓技術，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熱失控，這器件具有的可調節輸入欠壓保護電路阻止出現這種狀況，直到達到充足的輸入電平。這器件的其它特性 包括可調節斜坡補償、過功率保護、短路保護、過壓保護等。此外，NCP1027 提供較大的導通阻抗值，使其成為待機/輔助離線電源或要求較高輸出功率應用的極佳選擇。

　　NCP105x 是使終端設備能夠符合低待機能耗要求的單片開關穩壓器，這系列器件直接采用整流的交流線路電源工作。在反激轉換器應用中，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壓器電路，使轉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（用于轉換器過載保護）、獨特 的門控配置（提供極快環路路應及雙重脈沖抑制）、電源開關限流、帶遲滯的輸入欠壓鎖定、熱關閉及自動重啟故障檢測等。這系列器件 25 ℃結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 開關穩壓器

　　關穩壓器 NCP3155、1.5 A 開關穩壓器 NCP3063/4、0.5/1.0/3 A 開關穩壓器 LM2594/5/6、NCP3020/11 脈寬調制（PWM）控制器及 NCP1034 PWM 控制器。

　　以 NCP3155 為例，這是安森美半導體新推出 的一款 DC-DC 同步降壓穩壓器，包含NCP3155A 和 NCP3155B 兩個版本。NCP3155 包含全集成電源開關（48 mΩ 高端 FET 及18 mΩ 低端 FET），提供完整的故障保護特性（輸入欠壓鎖定、輸出過壓保護及輸出欠壓保護、限流及短路保護）。這器件的輸入電壓范圍為 4.7 至 24 V，輸出電壓可調節。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，典型應用電路圖參見圖 3。

　　圖 3：NCP3155A 典型應用電路圖。

　　NCP3063 及 NCP3064 是 1.5 A 升壓、降壓及反轉開關穩壓器，包含內置溫度補償參考、比較器、占空比受控振蕩器及有源限流電路、驅動器及大電流開關。這系列器件的設計專門針對升壓、降壓 及電壓反轉應用，所需外部組件極少。這系列器件的輸出開關電流達 1.5 A，也可用作控制器，支持達 5 A 電流。NCP3064 與 NCP3063 不同的是，提供導通/關閉引腳，用于低能耗關閉模式，典型待機電流消耗僅為 100 μA。

　　LM2594、LM2595 和 LM2596 分別是 0.5 A、1.0 A 及 3 A 降壓開關穩壓器。與常見的三端線性穩壓器相比，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載條件下確保提供±4%的輸出電壓容限、振蕩器頻率精度達±15%、支持 外部關閉（LM2594 和 LM2595 待機電流典型值為 50μA，LM2596 為 80 μA）、輸出開關逐周期限流及故障條件下熱關閉等。

　　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的開關頻率。保護特性包括無損耗限流、短路保護、輸出過壓保護、輸出欠壓保護及輸入欠壓鎖定。

　　NCP1034 與 NCP3020/11 不同，能夠接受高達 100 V 的輸入電壓，并提供 50 kHz 至 500 kHz 的可調節開關頻率，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（hiccup）限流等保護特性。

　　提供不同電流電平的線性 LDO 穩壓器

　　半導體廠商同樣提供不同電流電平的線性低壓降穩壓器，方便用戶的選擇。這些 LDO 穩壓器包括 LP2951、NCP4640/1、NCP562 及 NCP4588 等。

　　其中，LP2951 是 100 mA 多功能 LDO 線性穩壓器，特別設計用于輸入與輸出電壓差極低的穩壓應用。這器件提供 75 μA 的極低靜態偏置電流，并提供固定或可調節輸出電壓（輸出電壓可在 1.25 V 至 29 V 之間設定）。NCP4640 和 NCP4641 則是 50/150 mA 線性穩壓器，支持 4 至 36 V 輸入電壓并可承受 50 V 電壓。NCP562 是 80 mA 超低靜態電流 LDO 穩壓器，靜態電流低至 2.5 μA。NCP4588 則是 200 mA 輸出 LDO 線性穩壓器，典型靜態電流小于 9.5 μA，待機電流為 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定工作。但如果負載變化極大，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定工作。

　　應用于智能電表的其它解決方案

　　如上所述，半導體廠商為智能電表應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）調制解調器，以及豐富的存儲器（EEPROM 及 SRAM）、時鐘、接口、保護/濾波產品等，構成我們應用于智能電表的完整解決方案。

　　例如，安森美半導體推出了支持 2.4 kb的更高半雙工可調節通信速率、符合IEC61334-5-1標的AMIS-49587高集成度低功率PLC調制解調器方案，以及能驅動高達 2 A電流的高能效的A/B類低失真線路驅動器——NCS5650，能夠很好地配合智能電表PLC調制解調器及線路驅動應用。

　　圖 5：應用于智能電表通信模塊的 PLC 調制解調器及線路驅動器方案。