第五讲：高能效智能电表电源方案
中心议题：
- 探究应用于智能电表电源及电源管理模块
- 提供高能效及低待机能耗的 AC-DC 开关稳压器
- 提供不同电流电平的 DC-DC 开关稳压器
- 提供不同电流电平的线性 LDO 稳压器
其中，就电源及电源管理模块(参见图 1)而言，半导体厂商提供的产品包括高压交流-直流(AC-DC)开关稳压器、直流-直流(DC-DC)开关稳压器/控制器和低压降(LDO)线性稳压器 等(参见表 1)，方便用户根据具体应用选择适合的方案。这些电源方案具有高能效、低能耗及丰富保护特性等特点，非常适合智能电表应用。
图 1：智能电表电源及电源管理模块框图。
表 1：应用于智能电表电源及电源管理模块的器件列表。
提供高能效及低待机能耗的 AC-DC 开关稳压器
如表 1 所示，在交流-直流电源转换部分，可以选用安森美半导体的一系列开关稳压器，如适合低功率应用的 NCP1010/1/2/3/4 自供电单片开关稳压器、适合中等功率应用的NCP1027 高压单片开关稳压器，以及高压门控开关稳压器 NCP1050/1/2/3/4/5 等。
以 NCP101x 为例，这系列器件集成了固定频率电流模式控制器及典型导通阻抗为 11 或 22 ? 的 700 V MOSFET，提供构建强固及低成本开关电源所需的全部特性，包括软启动、频率抖动、短路保护、跳周期、最大峰值电流设定点及动态自供电(不需要辅助绕 组)等。在正常负载工作期间，NCP101x 以 65、100 及 130 kHz 中的某一频率开关；而当电流设定点降到低于某个给定值(如输出功率需求消失)时，NCP101x 自动进入所谓的跳周期模式(在此模式下跳除不需要的开关周期)，从而提供极佳的轻载能效。由于进入跳周期模式通常发生在最大峰值电流的 1/4 时，故没有可听噪声产生。因此，待机能耗降至最低，且没有可听噪声产生。NCP101x 典型应用电路及不同型号的关键参数参见图 2。
图 2：NCP101x 单片开关稳压器典型应用电路及不同器件关键参数。
NCP1027 则为目标输出功率等级为数瓦到 15 W 的通用主电源反激应用提供新的方案。这器件采用安森美半导体专有的高压技术，集成了均直接连接至大电容的功率 MOSFET 及启动电流源。为了防止在低输入电压条件下出现热失控，这器件具有的可调节输入欠压保护电路阻止出现这种状况，直到达到充足的输入电平。这器件的其它特性 包括可调节斜坡补偿、过功率保护、短路保护、过压保护等。此外，NCP1027 提供较大的导通阻抗值，使其成为待机/辅助离线电源或要求较高输出功率应用的极佳选择。
NCP105x 是使终端设备能够符合低待机能耗要求的单片开关稳压器，这系列器件直接采用整流的交流线路电源工作。在反激转换器应用中，它们在 100、115 或 230 V 固定交流输入电压下能够提供 6.0 至 40 W 的输出功率，而在 85 到 265 V 的可变交流输入电压下能够提供 3.0 至 20 W 的输出功率。这系列器件提供有源启动稳压器电路，使转换器变压器上无需辅助偏置绕组。其它特性包括故障检测器及可编程定时器(用于转换器过载保护)、独特 的门控配置(提供极快环路路应及双重脉冲抑制)、电源开关限流、带迟滞的输入欠压锁定、热关闭及自动重启故障检测等。这系列器件 25 ℃结温下的限流阈值典型值介于 100 mA 到 680mA 之间。
提供不同电流电平的 DC-DC 开关稳压器
关稳压器 NCP3155、1.5 A 开关稳压器 NCP3063/4、0.5/1.0/3 A 开关稳压器 LM2594/5/6、NCP3020/11 脉宽调制(PWM)控制器及 NCP1034 PWM 控制器。
以 NCP3155 为例，这是安森美半导体新推出 的一款 DC-DC 同步降压稳压器，包含NCP3155A 和 NCP3155B 两个版本。NCP3155 包含全集成电源开关(48 m? 高端 FET 及18 m? 低端 FET)，提供完整的故障保护特性(输入欠压锁定、输出过压保护及输出欠压保护、限流及短路保护)。这器件的输入电压范围为 4.7 至 24 V，输出电压可调节。NCP3155支持较高的工作频率(A 版本为 500 kHz，B 版本为 1 MHz)，能够使用较小的滤波器组件，从而减小占用的电路板空间及物料单(BOM)成本。NCP3155 采用 SOIC-8 封装，典型应用电路图参见图 3。
图 3：NCP3155A 典型应用电路图。
NCP3063 及 NCP3064 是 1.5 A 升压、降压及反转开关稳压器，包含内置温度补偿参考、比较器、占空比受控振荡器及有源限流电路、驱动器及大电流开关。这系列器件的设计专门针对升压、降压 及电压反转应用，所需外部组件极少。这系列器件的输出开关电流达 1.5 A，也可用作控制器，支持达 5 A 电流。NCP3064 与 NCP3063 不同的是，提供导通/关闭引脚，用于低能耗关闭模式，典型待机电流消耗仅为 100 μA。
NCP3020/11、NCP1034 均为同步降压 PWM 控制器。其中，NCP3021/11 支持 4.7 至 28 V 的输入电压范围，提供启用(EN)/功率良好(PG)/同步(SYNC)引脚，以及 300/400/600 kHz的开关频率。保护特性包括无损耗限流、短路保护、输出过压保护、输出欠压保护及输入欠压锁定。
NCP1034 与 NCP3020/11 不同，能够接受高达 100 V 的输入电压，并提供 50 kHz 至 500 kHz 的可调节开关频率，具备 2 A 输出电流能力，提供用户可编程输入欠压锁定及断续(hiccup)限流等保护特性。
提供不同电流电平的线性 LDO 稳压器
半导体厂商同样提供不同电流电平的线性低压降稳压器，方便用户的选择。这些 LDO 稳压器包括 LP2951、NCP4640/1、NCP562 及 NCP4588 等。
其中，LP2951 是 100 mA 多功能 LDO 线性稳压器，特别设计用于输入与输出电压差极低的稳压应用。这器件提供 75 μA 的极低静态偏置电流，并提供固定或可调节输出电压(输出电压可在 1.25 V 至 29 V 之间设定)。NCP4640 和 NCP4641 则是 50/150 mA 线性稳压器，支持 4 至 36 V 输入电压并可承受 50 V 电压。NCP562 是 80 mA 超低静态电流 LDO 稳压器，静态电流低至 2.5 μA。NCP4588 则是 200 mA 输出 LDO 线性稳压器，典型静态电流小于 9.5 μA，待机电流为 0.1 μA，压降低至 270 mV，并提供高 70 dB 的电源抑制比(PSSR)。这器件即使在负载电流变化的情况下也可以省去输出电容，在没有输出电容的情况下仍然保持稳定工作。但如果负载变化极大，最好使 用 0.1 μF 至 10 μF 的输出电容。
图 4：NCP4588 在省去输出电容的情况下仍能保持稳定工作。
应用于智能电表的其它解决方案
如上所述，半导体厂商为智能电表应用提供丰富的解决方案，除了上述电源及电源管理方案，还包括电力线载波(PLC)调制解调器，以及丰富的存储器(EEPROM 及 SRAM)、时钟、接口、保护/滤波产品等，构成我们应用于智能电表的完整解决方案。
例如，安森美半导体推出了支持 2.4 kb的更高半双工可调节通信速率、符合IEC61334-5-1标的AMIS-49587高集成度低功率PLC调制解调器方案，以及能驱动高达 2 A电流的高能效的A/B类低失真线路驱动器——NCS5650，能够很好地配合智能电表PLC调制解调器及线路驱动应用。
图 5：应用于智能电表通信模块的 PLC 调制解调器及线路驱动器方案。
