在方興未艾的智能電網應用中，智能電表發揮關鍵作用。設計人員需要為智能電表與數據集中器之間的通信選擇適合的通信方式。而電力線載波(PLC)技術利用電力線作為數據傳輸介質，利用已有的電力配電網進行通信，不需要重新布線，信號不會因為通過建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，而且成本相對較為低廉，故在智能電表以及路燈和智能插頭等應用中頗受青睞。當今世界上許多國家或地區都已經或即將部署智能電表系統，并采用PLC自動遠程抄表方式。如歐盟要求成員國在2022年前將電表全部更換為智能電表。一些業界先導公司及其先期試驗項目也頗具示范及借鑒意義。如法國啟動了備受業界關注的Linky電表項目，計劃在2012年到2017年間，將法國的3,500萬只傳統電表統一更新為Linky智能電表。這個項目為智能電表到數據集中器之間的通信選擇了PLC技術，然后再利用通用分組無線業務(GPRS)技術將數據傳送到該公司的數據中心。
 

圖1：典型的PLC智能電表網絡示意圖。

　　PLC智能電表應用涉及PLC電表(單相或三相)、數據集中器、耦合變壓器及相關電纜等組件。圖1顯示的是典型的PLC智能電表網絡示意圖。由圖可見，為數眾多的PLC智能電表通過電力線連接至數據集中器，然后再藉GPRS、GSM或以太網等方式將數據從集中器傳送至電力機構的數據中心。
　
　　數據信號在PLC電表網絡中的傳輸包含發送和接收兩方面。在發送路徑方面，集成在電表中的PLC調制解調器調制出S-FSK信號，經過PLC線路驅動器放大和濾波后，經變壓器耦合到電力線上。變壓器實現電壓變換和阻抗匹配，也用于強電(特點是電壓高、電流大、功率大、頻率低，處理的對象是電力)和弱電(特點是電壓低、電流小、功率小、頻率高，處理的對象是信息)的隔離。在接收路徑方面，變壓器從電力線耦合過來的信號經過調制解調器內置放大器構成的低通濾波器后傳送至應用微控制器進行FSK解調分析。
　
　　如上所述，線路驅動在PLC通信應用中用于功率發射部分，是PLC的重要組成部分(參見圖2)，故需要為應用選擇適合的PLC線路驅動器。這樣的線路驅動器要求具有大輸出電流能力、低壓降、低諧波失真、寬工作溫度范圍和便于散熱等特性。此外，前述ERDF的Linky項目需要符合嚴格的歐洲EN-50065規范，故除了調制解調器，參照此項目的設計中，線路驅動器也需要配合遵從這規范。
 

圖2：線路驅動器是智能電表PLC通信應用的重要組成部分。

安森美半導體NCS5650 PLC線路驅動器的優勢
　　安森美半導體針對PLC線路驅動應用推出了一款高能效的A/B類低失真線路驅動器——NCS5650。這器件的電源電壓(VCC)為單端6至12 V或雙平衡±3.0至±6.0 V。NCS5650的設計經過了優化，接收PLC調制解調器輸送的信號，輸出段設計成能夠驅動高達2 A的電流，經隔離變壓器或簡單的線圈耦合至交流主電源。
　
　　NCS5650符合PLC線路驅動器的應用要求，提供重要的應用優勢。如該器件針對歐洲電工標準化委員會(CENELEC)用于智能電表的A、B、C和D頻段進行了優化，符合EN-50065規范，可用于直接耦合或按1：1、2：1變壓比耦合。NCS5650獨特的2 A驅動能力確保在很低電力線阻抗時也可保持有效的通信。
　
　　該器件除了對信號進行功率放大外，集成的兩級運算放大器的結構還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器，除了幫助減少器件數量進而節省成本，在對電力線接入設備有嚴格限制的歐洲，只有增加類似的濾波器，才能夠保證系統對電力線的高頻干擾注入滿足EN-50065規范的要求。另外，這種結構也使故障告警不需要外部電平轉換，可以直接與MCU接口。
　
　　NCS5650在電氣性能上也頗具優勢。兩級運算放大可以實現700 kHz的全功率帶寬，諧波失真也很低，僅為0.015 % @ 1 kHz。這器件的功耗也很低，軌到軌壓差低至僅為0.5 V，工作模式靜態電流僅為20 mA，關斷模式下的電流僅為150 µA。
　
　　NCS5650支持-40℃到+125℃的寬工作結溫范圍，具備160℃過溫關斷保護能力。該器件提供兩個帶磁滯功能的獨立熱標記(flag)，其中一個是熱警告標記，讓用戶知道內部結溫已經達到用戶設定的熱警告閾值，另一個是熱誤差標記，提示內部結溫已超過150℃。NCS5650采用4 mm x 4 mm QFN20小型封裝，帶導熱板，易于散熱。
　
　　值得一提的是，NCS5650除了可以用于PLC智能電表，還可應用于音頻次重低音揚聲器、數據采集設備、智能電器、閥/制動器驅動器、電機驅動器和測試設備等應用。
　
NCS5650典型應用設計
　　前面介紹了NCS5650的主要優勢，接下來我們就分析這器件的一些典型應用設計，如多點反饋(MFB)濾波器設計、限流點設定和過流告警、過溫關斷告警及設定等。
　
　　實際上，歐洲電工標準化委員會EN-50065-1是一項針對頻率范圍在3 kHz到148.5 kHz范圍之間的低壓電氣設備信令的歐洲標準。更具體地講，這標準的第一部分涉及的注入到電氣主電源上的頻段及電磁干擾。符合這要求的一種可行方法就是在調制解調器輸出與連接至交流主電源的隔離變壓器之間設置4階濾波器。我們可以采用MFB濾波器拓撲結構來幫助符合這項標準的要求。4階點濾波器要求應用2個運算放大器。而安森美半導體的NCS5650擁有輸入預放大器和輸出功率放大器(參見圖2)，因此僅需要電阻和電容等無源元件。這也是我們需要計算的對象。輸入預放大器的電路圖如圖3(a)所示，而4階低通濾波效果見3(b)。
 

圖3：NCS5650的輸入預放大器電路圖(a)及4階低通濾波效果(b)。

　　這輸入預放大器的增益函數如下所示：
 　　
　　再結合其它公式(參見參考資料1)的情況下，就可以計算出R₁、R₂和R₃的值。 
　
　　在NCS5650應用設計中，限流點設定也很重要。實際上，NCS5650的2 A輸出電流可以通過在引腳15與V_EE(放大器負電源，引腳10或11)之間簡單增加一顆限流電阻(R_Limit)來設定。流出或流入功率放大器的電流超過設定點時，過流告警I_LIM標記會變為邏輯高電平，提示用戶采取必要措施。過流消失(即輸出電流恢復)后，I_LIM標記將恢復為邏輯低電平。限流設定公式為：I_LIM=(1.215/R_CL)×8197。
　
　　此外，在負載比較大或過流的情況下，放大器溫度將升高，內部結溫超過160度時，器件將進入關斷模式以防止受損，這時引腳17的TSD標記會變為邏輯高電平；結溫回落到約145度以下時，器件恢復為啟用模式。如果用戶想避免放大器進入過熱關斷狀態，可以通過熱告警功能來監測結溫。用戶可以通過在引腳14上施加相應電壓來選擇105℃至145℃范圍之間的任意告警結溫(T_warn)。可以用一種簡單的方法來應用這種功能，即設定V_CC(引腳6、7)與V_EE之間的分壓器的比例。設定NCS5650熱告警溫度要求的電壓比的計算公式為：VTW=6.665×10^-3(T_J)+1.72。
　
安森美半導體為智能電表應用提供完整方案
　　安森美半導體為智能電表應用提供完整的解決方案，除了上述PLC線路驅動器，還提供新的符合ERDF規范的PLC調制解調器AMIS-49587以及經過了8年工業現場應用檢測的AMIS-30585。其中，AMIS-49587支持2.4 kb的半雙工可調節通信速率，目前已經獲得法國原設備制造商(OEM)的先期使用，在中國也已獲得數家領先電表客戶的選用。此外，安森美半導體提供用于電源管理、測量和存儲等關鍵功能的解決方案。如在電源管理模塊，可以應用安森美半導體的NCP1014、NCP1015等AC-DC轉換器，LM2596、NCP3063和CS51411等DC-DC轉換器，MC78L05、MC7805、CAT6217和CAT6219等低壓降(LDO)穩壓器，以及NTMFS4823等中壓及高壓FET。此外，在智能電表應用中，也可采用安森美半導體系列EEPROM、SDRM等存儲器，以及ESD/TVS、SIM卡接口、邏輯、USB保護、監控、I/O擴展、時鐘和溫度傳感器等。
　
總結：
　　在方興未艾的智能電網應用中，智能電表發揮關鍵作用。設計人員需要為PLC智能電表通信選擇適合的線路驅動器方案。安森美半導體用于PLC的線路驅動器產品NCS5650符合嚴格的歐洲EN-50065規范，并提供多種應用優勢，非常適合PLC線路驅動應用，同時還可拓展至更寬應用范圍。安森美半導體更為智能電表應用提供包括電源/電源管理及保護、通信、測量和存儲等關鍵功能的完整解決方案，方便客戶的選擇，幫助他們降低采購成本及加快產品上市。
　
供稿：安森美半導體