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(shí)現(xiàn)互動(dòng)，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(jià)；另一方面，用戶也可以調(diào)整自己的用電計(jì)劃，節(jié)省電費(fèi)支出。

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?jiǎn)纹_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(hào)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(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)?00、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(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

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，可以使用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。 一、配電線通訊

中低壓交流配電線用于電能的輸送同時(shí)，也可作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。電力線載波通訊（PLC）技術(shù)就是通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)在配電線上進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信不需要重新布線，信號(hào)不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，相對(duì)較為低廉的成本，使這項(xiàng)技術(shù)在電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)，燈光控制等許多領(lǐng)域受到青睞。

圖1就是PLC技術(shù)典型的應(yīng)用案例——遠(yuǎn)程電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)的示意圖。

電表通過電力線與集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。集中器通常位于變壓器附近，是網(wǎng)絡(luò)的核心管理者。它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)集中采集、命令傳送等工作；同時(shí)還通過上行線路（PSTN或RF等）與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。一臺(tái)集中器可管理幾十至幾百只電表。

在這個(gè)系統(tǒng)中，集中器會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間間隔讀取各個(gè)電表的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給主站，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程集中抄表。

1.1 EDF項(xiàng)目

當(dāng)今世界上許多國家都已采用或即將部署智能電表系統(tǒng)并采用自動(dòng)遠(yuǎn)程集抄方式。目前備受關(guān)注的就是法國ERDF的Linky電表項(xiàng)目。

歐盟最大的電力配電網(wǎng)運(yùn)營商，法國電力集團(tuán)（EDF）的子公司——法國電網(wǎng)輸送公司（ERDF）已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)涉及總數(shù)量3500萬只電表的項(xiàng)目。該項(xiàng)目從2012年至2017年，將把法國國內(nèi)的傳統(tǒng)電表統(tǒng)一更換成新型的Linky智能電表。智能電表通訊采用電力線載波（PLC）技術(shù)。

項(xiàng)目對(duì)PLC的主要技術(shù)要求如下：

物理層：IEC 61334-5-1 和 EN 50065-1
調(diào)制方式：S-FSK
通信載波頻率：Fm (傳號(hào)頻率)：63.3KHz；Fs(空號(hào)頻率)：74KHz
通信速率：2400 Baud
物理層與電力線50Hz同步
應(yīng)用層：IEC 62056-53和IEC 61334-5-511

1.2 安森美半導(dǎo)體與PLC通訊

安森美半導(dǎo)體針對(duì)低/中壓電力線上數(shù)據(jù)通訊而研發(fā)了S-FSK PLC Modem，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已有超過8年的成功應(yīng)用。Modem是采用S-FSK調(diào)制方式的窄帶PLC收發(fā)器，是目前唯一經(jīng)過多年市場(chǎng)驗(yàn)證的器件。

產(chǎn)品從早期的AMIS-30585發(fā)展到如今第二代產(chǎn)品AMIS-49587。

AMIS-49587完全滿足ERDF的技術(shù)要求，已被Linky智能電表供應(yīng)商選中作為PLC通信的核心器件。

下文中，結(jié)合EDF Linky電表項(xiàng)目的需求，介紹AMIS-49587的特點(diǎn)。

二、涵蓋PHY和MAC Layer的收發(fā)器

2.1 Linky電表OSI層參考模型：

Linky項(xiàng)目采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

— 物理層PHY 采用IEC 61334-5-1標(biāo)準(zhǔn)。
— 數(shù)據(jù)鏈路層DLL（包括MAC和 LLC子層）采用IEC 61334-5-1/ IEC 61334-4-32標(biāo)準(zhǔn)
— 應(yīng)用層Application Layer 采用IEC 62056-53/IEC 61334-4-511標(biāo)準(zhǔn)

AMIS-49587最突出的特點(diǎn)在于其作為PLC收發(fā)器除了完成物理層S-FSK信號(hào)的收發(fā)、調(diào)制解調(diào)外，還向上包含了MAC子層的處理。這個(gè)特點(diǎn)使用戶得以把更多的精力放在應(yīng)用層的開發(fā)。通過AMIS-49587進(jìn)行邏輯鏈路層（LLC Layer）數(shù)據(jù)包的交換，底層的幀頭、幀校驗(yàn)等都會(huì)被自動(dòng)添加。這在很大程度上減少了客戶軟件開發(fā)方面的工作量。

2.2 物理層采用優(yōu)化的 S-FSK

電力配電線并不是為信號(hào)傳送而專門設(shè)計(jì)的，它的阻抗處于隨時(shí)變化中，也極易引入外界的各種電磁干擾。調(diào)制方式的選擇力求在成本較低的情況下使其針對(duì)電力線特殊情況具有良好的通訊效果。

FSK（頻移鍵控）是經(jīng)典的實(shí)現(xiàn)成本較低的頻率調(diào)制方式：利用兩個(gè)獨(dú)立的載頻傳送二進(jìn)制0和1。S-FSK（Spread FSK）是讓這兩個(gè)頻率盡可能遠(yuǎn)離，（>10KHz）使兩個(gè)頻率傳輸質(zhì)量相對(duì)獨(dú)立，以更好的應(yīng)對(duì)電網(wǎng)中常見的窄帶干擾的影響。
圖3中我們可以看到：在噪聲能量比較平均的寬帶干擾下，兩個(gè)載頻的接收信號(hào)信噪比相似。接收器濾除掉其他頻率，在f0 （空號(hào)頻率）和f1（傳號(hào)頻率）產(chǎn)生兩個(gè)解調(diào)信號(hào)—dS和dM，如果dS>dM，認(rèn)為收到數(shù)據(jù)“0”；反之認(rèn)為是數(shù)據(jù)“1”，這種情況接收器工作在FSK模式；如果遇到窄帶干擾使其中一個(gè)載頻下的信噪比很差時(shí)，接收器將忽略這個(gè)信道，用另一個(gè)較好信道的解調(diào)信號(hào)與一個(gè)內(nèi)部閾值T作比較來決定收到“1”還是“0”。此時(shí)接收器工作在幅移鍵控ASK模式。

此外，Modem內(nèi)部處理器的解調(diào)算法尤為重要。其對(duì)接收靈敏度影響很大。Linky項(xiàng)目要求接收機(jī)在S-FSK信號(hào)有效值2mV至2V內(nèi)都可正常識(shí)別。

靈活的調(diào)制解調(diào)模式、先進(jìn)可靠的解調(diào)算法使AMIS-49587具有優(yōu)異的抵抗電力線上干擾的性能。

2.3 物理層幀格式

AMIS-49587按照IEC61334-5-1物理幀格式來傳送數(shù)據(jù)。

物理幀以時(shí)間片（或稱時(shí)隙，Time Slot）為發(fā)送間隔。幀起點(diǎn)被稱為時(shí)間片指示器Slot indicator，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)電力線電壓50Hz的過零點(diǎn)。客戶端（Client，也就是主機(jī)）必須在過零點(diǎn)開始發(fā)送物理幀。IEC61334-5-1的整個(gè)系統(tǒng)都是以時(shí)間片為同步依據(jù)的，了解這一點(diǎn)十分重要。

以2400bps速率為例，傳送1個(gè)時(shí)間片或物理幀的時(shí)間需要150mS。

物理幀由前導(dǎo)碼Preamble、起始子幀定界符Start Subframe Delimiter、MAC子幀(Data)和暫停域Pause組成。

物理幀總是起始于基本時(shí)間片的整數(shù)倍，這時(shí)刻稱作時(shí)間片指示器。在時(shí)間片同步后，每個(gè)裝置的物理層就可以通過它的內(nèi)部時(shí)鐘獨(dú)立地跟蹤時(shí)間片指示器。

前導(dǎo)碼和起始子幀定界符（AAAAh和54C7h）具有重要意義。接收方可以在接收這4個(gè)字節(jié)期間：

1） 調(diào)整確定接收增益
2） 測(cè)量信噪比
3） 確定解調(diào)方式 FSK 或ASK
4） 幀檢查，是否是合法的物理幀的開始
5） 調(diào)整服務(wù)器（Server，也就是從機(jī)）與客戶端（Client）同步

2.4 MAC幀與物理幀

如圖5所示：物理幀將MAC幀“包裝”后發(fā)送。一個(gè)物理幀有38個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)域，一次可以發(fā)送一個(gè)MAC子幀。長MAC幀可以由多達(dá)7個(gè)MAC子幀組成。有多個(gè)MAC子幀的長MAC幀會(huì)被拆分成幾個(gè)子幀，由相應(yīng)數(shù)量的物理幀順序發(fā)送。接收方全部接收后，再把它們整合起來。

MAC幀頭Header由子幀數(shù)、初始可信值IC、當(dāng)前可信值CC、差值可信值DC、源地址、目的地址以及填充長度Pad Length組成?？尚胖档氖褂脮?huì)在后面中繼的章節(jié)中詳細(xì)介紹。LLC幀作為數(shù)據(jù)被包含在MAC幀中。

三、安森美半導(dǎo)體PLC解決方案

方案主要由PLC Modem ，AMIS-49587、驅(qū)動(dòng)放大器NCS5650及耦合變壓器組成。

PLC信號(hào)的發(fā)送路徑（紅色箭頭）：AMIS-49587調(diào)制出的S-FSK信號(hào)經(jīng)過NCS5650進(jìn)行放大后經(jīng)變壓器耦合到電力線上。變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換和阻抗匹配，也用于強(qiáng)弱電的隔離。NCS5650除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大外，其兩級(jí)運(yùn)放的結(jié)構(gòu)還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。在對(duì)電力線接入設(shè)備有嚴(yán)格限制的歐洲，只有增加類似的濾波器，才能夠保證系統(tǒng)對(duì)電力線的高頻干擾注入滿足EN 50065規(guī)范的要求。

藍(lán)色箭頭標(biāo)注出了接收路徑：變壓器從電力線耦合過來的信號(hào)經(jīng)過AMIS-49587內(nèi)置放大器構(gòu)成的低通濾波器在內(nèi)部ARM進(jìn)行FSK解調(diào)分析。

圖6中黑色箭頭是50Hz的過零檢測(cè)信號(hào)引腳。系統(tǒng)依靠這個(gè)信號(hào)進(jìn)行同步定時(shí)。

圖中藍(lán)色虛線框內(nèi)是電表內(nèi)的應(yīng)用處理器，負(fù)責(zé)通訊應(yīng)用層處理及計(jì)量。其與PLC Modem的接口是簡(jiǎn)單的SCI串行口。

方案的供電十分簡(jiǎn)單：一路12V——供給線路放大器，用于驅(qū)動(dòng)PLC信號(hào)耦合變壓器；一路3.3V給AMIS-49587供電。

3.1 AMIS-49587功能框圖

我們?cè)倭私庖幌翧MIS-49587的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

AMIS-49587的核心是一個(gè)32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運(yùn)行S-FSK調(diào)制解調(diào)的算法，同時(shí)也管理著與外部MCU的通訊。嵌入軟件儲(chǔ)存在片內(nèi)ROM中。

芯片左邊是模擬部分：FSK信號(hào)合成輸出、接收解調(diào)以及系統(tǒng)時(shí)鐘和50Hz的鎖相環(huán)。

芯片包含了所有S-FSK信號(hào)處理、MCU接口管理等模擬、數(shù)字部分。變壓器驅(qū)動(dòng)由于是功率放大部分成為收發(fā)器板上的發(fā)熱源。為了防止高熱可能給系統(tǒng)精度帶來影響，AMIS-49587并沒有把信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng)納入這顆IC中，而是采用外置方案。

3.2 獨(dú)特的系統(tǒng)中繼方案

在網(wǎng)絡(luò)通訊中，長距離的信息傳送需要中繼來實(shí)現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587支持采用Repetition with Credit算法進(jìn)行中繼。在這種中繼方案中，系統(tǒng)沒有需要預(yù)先設(shè)定的中繼器Repeater。其核心理念是每一個(gè)服務(wù)器端（即電表）都可以是其它服務(wù)器的Repeater，幫助把信息或命令接續(xù)傳遞。即使收到的幀目的地址不匹配，如果需要轉(zhuǎn)發(fā)，服務(wù)器也會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)采用以時(shí)間片和聲（Chorus)方式，這種方式依賴于整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一與時(shí)間片同步。

Repetition with Credit中繼算法采用了叫做可信值管理的辦法。可信值分為7級(jí)，由客戶端（集中器）進(jìn)行管理。系統(tǒng)規(guī)定：如果服務(wù)器被配置成了Repeater，如果收到的MAC幀的當(dāng)前可信值大于0，這個(gè)服務(wù)器就要在下一個(gè)時(shí)間片到來時(shí)把這一幀重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)前可信值減一。直到當(dāng)前可信值為0時(shí)幀重復(fù)的過程終止。在這種機(jī)制下，在同一時(shí)間片，可能存在許多服務(wù)器同時(shí)重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，這就是和聲。

下面（見圖8）以一個(gè)單MAC幀的轉(zhuǎn)發(fā)過程為例，來說明Repetition with Credit機(jī)制。

1） 集中器在時(shí)間片K給電表5發(fā)出一幀并在MAC幀頭設(shè)定了初始可信值為2。電表（Module PLC）1和2因?yàn)榫嚯x較近在時(shí)間片K正確收到這一幀。

2） 由于這一幀的可信值（Credit）大于0，集中器、電表1和2收到后在時(shí)間片K+1開始重復(fù)這一幀，當(dāng)前可信值減一，變?yōu)?。電表3和4在這個(gè)時(shí)間片收到這一幀。但電表5由于線路太遠(yuǎn)還是沒有收到。

3） 電表3和4在K+2重復(fù)同一幀。當(dāng)前可信值減一，集中器、電表1和2也在同時(shí)重復(fù)，與3和4“和聲”。電表5正確收到這一幀。由于當(dāng)前可信值已變?yōu)?，下一時(shí)間片所有電表不再重復(fù)發(fā)送這一幀。

系統(tǒng)最大可設(shè)定初始可信值為7，假定一臺(tái)集中器和一臺(tái)電表的通訊距達(dá)300m。如果有了帶有7級(jí)可信值管理的中繼，通信距離將可達(dá)到2400m。

在這個(gè)中繼機(jī)制中，有三個(gè)變量IC、CC、DC分別代表初始可信值、當(dāng)前可信值以及差值可信值。集中器根據(jù)算法設(shè)置初始可信值。當(dāng)前可信值CC會(huì)在幀轉(zhuǎn)發(fā)過程中隨每一次轉(zhuǎn)發(fā)逐一遞減。差值可信值DC對(duì)中間的轉(zhuǎn)發(fā)器沒有意義，只在目的地址電表處，IC減去CC，得到差值可信值DC。該電表會(huì)在回復(fù)幀中把DC值發(fā)送回給集中器，集中器可以根據(jù)這個(gè)值修訂下次訪問該電表的初始可信值。

由于電力線阻抗、干擾狀況等處于時(shí)時(shí)變化中，PLC通訊的質(zhì)量也在不斷變化?？尚胖邓惴ㄊ箍蛻舳丝梢詫?shí)時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，以實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳送。

由AMIS-49587組成PLC網(wǎng)絡(luò)廢棄了傳統(tǒng)的具有諸多弊端的路由方案，沒有復(fù)雜的路由表，不需要人工設(shè)定和調(diào)整中繼轉(zhuǎn)發(fā)器，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)的找到較佳路由線路，并且持續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)。

此外，在Linky項(xiàng)目中，還引入了Repeater Call 機(jī)制。定期運(yùn)行的這個(gè)機(jī)制通過先進(jìn)的算法調(diào)整傳輸路徑中轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)置，減少不必要的電表參與“和聲”，以減少可能的串?dāng)_或回聲，這是對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由的進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 網(wǎng)絡(luò)建立

由AMIS-49587組成的網(wǎng)絡(luò)采用主從結(jié)構(gòu)，一個(gè)客戶端（也稱主機(jī)或集中器）與多個(gè)服務(wù)器（從機(jī)或電表）組成網(wǎng)絡(luò)。一般通訊的發(fā)起者是客戶端。按照IEC 61334-5-511，客戶端運(yùn)行“發(fā)現(xiàn)Discovery” 和“注冊(cè)Register”服務(wù)。“發(fā)現(xiàn)”查找新加入或因故重新加入網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器。如果服務(wù)器進(jìn)行了正確的應(yīng)答，進(jìn)入注冊(cè)過程，將被分配獨(dú)立的MAC地址。

客戶端會(huì)定期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)、注冊(cè)服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)Plug & Play。也會(huì)定期進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Ping服務(wù)以確定服務(wù)器是否在網(wǎng)和消除可能的地址沖突。

3.3.1 智能同步Smart synchronization

主從網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器必須先與客戶端綁定（綁定后只回復(fù)該客戶端）才能完成注冊(cè)進(jìn)而正常與客戶端通訊。這個(gè)過程叫與客戶端同步。服務(wù)器與一個(gè)客戶端同步后，將不再應(yīng)答其它客戶端?？蛻舳嗽L問超時(shí)或服務(wù)器主動(dòng)解除同步時(shí)，重新進(jìn)入客戶端搜索狀態(tài)。

剛上電的服務(wù)器與50Hz鎖定后會(huì)不斷分析信道，查找前導(dǎo)碼（AAAAh）和起始子幀定界符（54C7h），如果偵聽到，而且接下來正確收到客戶端發(fā)出的物理幀后，即可與該客戶端同步，并接受注冊(cè)。

在同步過程中，AMIS-49587采用了更加智能的Smart Synchronization：在一定時(shí)間內(nèi)（可設(shè)定），新入網(wǎng)服務(wù)器可以先后與多個(gè)客戶端同步再主動(dòng)解除同步，期間記錄每個(gè)客戶端信號(hào)的強(qiáng)度(SNR)。在設(shè)定時(shí)間到來時(shí)，該服務(wù)器最后會(huì)選擇與信號(hào)較強(qiáng)的客戶端同步。

該機(jī)制非常有效的解決了抄表系統(tǒng)中常見的多臺(tái)區(qū)/多相信號(hào)串?dāng)_問題。由于電表都會(huì)自動(dòng)找到最近的集中器與之同步，不需要人工干預(yù)，使網(wǎng)絡(luò)路徑自動(dòng)得到了優(yōu)化，也極大的減少了施工中的工作量。

3.3.2 報(bào)警Alarm機(jī)制

AMIS-49587構(gòu)成的PLC網(wǎng)絡(luò)中還具有報(bào)警機(jī)制。當(dāng)電表有故障發(fā)生時(shí)，要求其通過網(wǎng)絡(luò)報(bào)警，以便管理人員及時(shí)得知并處理。主動(dòng)上報(bào)相當(dāng)于在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)雙向通訊。Linky電表會(huì)在物理幀的Pause時(shí)間段的3個(gè)字節(jié)發(fā)出Alarm警報(bào)。主機(jī)收到后會(huì)發(fā)起Discovery服務(wù)，以便調(diào)查具體故障原因。

Alarm另一個(gè)非常有用的功用是新電表剛接入時(shí)，會(huì)通過Alarm提示集中器發(fā)起Discovery。這會(huì)加快新表的接入過程。不必非得等待主機(jī)例行的Discovery服務(wù)到來。

四、結(jié)束語

安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587是完全遵從IEC-61334標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的電力線載波收發(fā)器。在完成物理層調(diào)制解調(diào)外，嵌入MAC層的處理是這款芯片獨(dú)到的特點(diǎn)，使其成為具有協(xié)議解析功能的PLC收發(fā)器?？蛻粼谑褂眠@款收發(fā)器傳送或接收的數(shù)據(jù)時(shí)，不需要太多關(guān)注協(xié)議的細(xì)節(jié)。

可信值“和聲”中繼模式取消了繁雜的路由表，在集中器控制下系統(tǒng)自動(dòng)找到并持續(xù)調(diào)整較佳路由線路，使長距離通訊變得簡(jiǎn)單可靠的同時(shí)極大地減少了施工維護(hù)工作量。智能同步、Repeater Call 模式的加入更是進(jìn)一步實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。

安森美半導(dǎo)體還為PLC應(yīng)用專門開發(fā)了線路驅(qū)動(dòng)器——NCS5650。集成了高帶寬運(yùn)算放大器和高達(dá)2A輸出電流的功率放大器。兩級(jí)運(yùn)放的結(jié)構(gòu)使其非常容易配制成4階低通濾波器，以便滿足各種規(guī)章（如EN 50065）對(duì)電力線高頻注入的嚴(yán)格限制。

安森美半導(dǎo)體的PLC解決方案非常適用于自動(dòng)化抄表、燈光控制、家用電器以及其它區(qū)域集中控制等場(chǎng)合。方案簡(jiǎn)單易用，實(shí)施效果和可靠性已在歐洲工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有超過8年的驗(yàn)證。

半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性

　　MOS的基本元件是MOS管。MOS管是一種電壓控制器件，它的3個(gè)電極分別稱為柵極(G)、漏極（D）和源極（S），由柵極電壓控制漏源電流。MOS管根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為P型溝道MOS管和N型溝道MOS管兩種，每種又可按其工作特性進(jìn)一步分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類。

　　1、靜態(tài)特性

　　MOS管作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，同樣是交替工作在截止與飽和兩種工作狀態(tài)。

　　N溝道增強(qiáng)型MOS管的開關(guān)特性為：當(dāng)柵源電壓vGS＜開啟電壓VTN時(shí)，管子工作在截止?fàn)顟B(tài)，類似于開關(guān)斷開；當(dāng)柵源電壓vGS＞開啟電壓VTN（大約在1～2V之間），且漏源電壓加大到一定程度，滿足vDS≥vGS-VTN時(shí)，管子工作在飽和狀態(tài)，類似于開關(guān)接通。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管與N型溝道增強(qiáng)型MOS管所不同的是，其工作電壓vGS和vDS均為負(fù)電壓，開啟電壓VTP一般大約在-2.5～-1.0V之間。

　　2、動(dòng)態(tài)特性

　　MOS管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)同樣存在過渡過程，但其動(dòng)態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的充、放電所需的時(shí)間，而MOS管內(nèi)部電荷“建立”和“消散”的時(shí)間很短。

標(biāo)簽: 半導(dǎo)體器件

半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性_半導(dǎo)體器件

上一篇：溫濕度記錄儀在電子產(chǎn)品存放中的...

下一篇：冷熱沖擊試驗(yàn)箱技術(shù)參數(shù)

<span id="jibec"></span>