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作者：Joseph Hollins 和 Ryan Metivier，
Allegro MicroSystems, LLC
各種機(jī)械和電子系統(tǒng)可能受到電磁干擾。不法之徒可能攻擊部署的電子產(chǎn)品，如智能電表、自動(dòng)取款機(jī)、賭博/游戲機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)或電子鎖等，他們希望能夠改變、停用這些設(shè)備，或是竊取產(chǎn)品和服務(wù)。此文重點(diǎn)介紹智能電表，但討論的原理同樣適用于其他系統(tǒng)。
智能電表在世界各地得到廣泛，可用于更高效、更精確地報(bào)告并監(jiān)視能源使用。很多水表、煤氣表和電表都包含能夠自動(dòng)收集并傳輸使用數(shù)據(jù)的智能電子元件。根據(jù) Navigant Research1 所述，到 2018 年，全球每年智能電表發(fā)貨量將達(dá) 1.31 億只。竊電是電力公司和政府監(jiān)管部門面臨的主要問題。用磁鐵破壞并欺騙智能電表，使電表的用電量讀數(shù)為零或是大幅減少2。據(jù)估計(jì)，每年干擾智能電表導(dǎo)致的竊電量接近 900 億美元2。
圖 1：典型智能電表
干擾電表使用的一種方法是使用強(qiáng)力磁體破壞電表檢測(cè)耗電量的功能3。使用的磁體通常磁性很強(qiáng)，并且相對(duì)較大并且沉重。這種磁體能夠網(wǎng)購(gòu)獲得，或只需從廢棄電子產(chǎn)品和電腦（電子垃圾）中拆卸。如果將這些磁體靠近電表，則會(huì)使偵測(cè)電表電流的電流互感器出現(xiàn)磁飽和。磁芯飽和會(huì)導(dǎo)致電表基本察覺不到通過的電流。
雖然電表制造商很難阻止在使用場(chǎng)所出現(xiàn)這種行為，但檢測(cè)干擾的可性性很大，以便采取補(bǔ)救措施，比如派遣服務(wù)工作人員或遠(yuǎn)程禁用此電表。全球有多個(gè)組織正在制定智能調(diào)表規(guī)范，包括針對(duì)電表的干擾檢測(cè)要求。請(qǐng)參閱“表 2：智能電表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”（下文），了解更多詳情。
為了實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)，用于檢測(cè)干擾的電磁傳感器必須具有以下特性：
高靈敏度：雖然用于系統(tǒng)外部的磁體可能很強(qiáng)，但磁體遠(yuǎn)離時(shí)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)呈指數(shù)級(jí)衰減。傳感器內(nèi)部位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度可能比磁體表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度低得多。電表使用的某些組件可能扭曲施加磁場(chǎng)，如果靈敏度不夠高，可能導(dǎo)致傳感器檢測(cè)區(qū)域出現(xiàn)“陰影”或“空洞”。
高動(dòng)態(tài)范圍：某些電磁傳感技術(shù)有磁場(chǎng)上邊界。霍爾效應(yīng)技術(shù)對(duì)施加磁場(chǎng)沒有上限要求。全極靈敏度：試圖干擾電表的犯罪分子不大可能關(guān)注施加到系統(tǒng)外殼的磁體的磁極，他們只會(huì)嘗試找到能發(fā)揮作用的磁極。該傳感器應(yīng)能檢測(cè)到磁場(chǎng)，而和磁體方向無(wú)關(guān)。
全向靈敏度：很多老式電磁傳感器只在單個(gè)方向或平面上對(duì)磁場(chǎng)靈敏。由于外部磁體可能在任何方向上施加到電表表面上的任何暴露點(diǎn)（正面、頂面、底面或側(cè)面），傳感器應(yīng)在所有三個(gè)方向上（X, Y, 和 Z）同樣敏感。
通常而言，磁體遠(yuǎn)離時(shí)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)呈指數(shù)級(jí)衰減。作為示例，如果從 50mm 以外（1 倍磁體厚度）測(cè)量表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為 6000 G (600 mT) 的大型稀土磁體 (50 mm × 50 mm × 50 mm)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度大致為 600 G (60 mT)。圖 2 描述了這種現(xiàn)象。較小磁體的“范圍”小于較大的磁體。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而言，距離磁體一個(gè)厚度距離的位置具有十分之一磁場(chǎng)強(qiáng)度。
圖 2：磁場(chǎng)與磁極距離 (mm)，50 mm × 50 mm × 50 mm N45 磁體
如果傳感器安裝在電表內(nèi)部，必須考慮距電表側(cè)面和表面的距離，才能確定傳感器對(duì)置于電表外部表面任意位置磁體的靈敏度。
電磁傳感最常用的傳統(tǒng)解決方案一直是霍爾效應(yīng)傳感器 IC。這些 IC 使用霍爾效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)，該效應(yīng)是以埃德溫·霍爾 (Edwin Hall) 的名字命名的，他在 1879 年發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一個(gè)磁場(chǎng)沿垂直于金屬板平面的方向穿過金屬板時(shí)，載流導(dǎo)電板4上會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。如圖 3 所示，電流施加于導(dǎo)電板。垂直于導(dǎo)電板（電流）的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)電板形成差分電壓。傳感器測(cè)量此電壓作為施加磁場(chǎng)的指示。注意，傳統(tǒng)平面霍爾效應(yīng)傳感器只能測(cè)量垂直于傳感片或平面的磁場(chǎng)。如果是表面安裝 IC，導(dǎo)電板通常與安裝傳感器的 PCB 平面平行。只有 Z 軸方向的磁場(chǎng)能有效檢測(cè)，而與傳感器的方位/轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān)。
有效感測(cè) X 和 Y 磁場(chǎng)需要在單獨(dú) PCB 上安裝更多傳感器，并且傳感器之間以及和主板或已安裝和可能形成引導(dǎo)的傳感器之間保持適當(dāng)角度，從而使用霍爾板指向正確。這兩種方法都會(huì)增加組件數(shù)量和成本、系統(tǒng)復(fù)雜性和裝配成本。用戶可以安裝大量傳統(tǒng)平面霍爾傳感器，并依靠“邊緣”場(chǎng)將其激活，但這也會(huì)增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。
技術(shù)人員使用各種磁阻技術(shù)制造電磁傳感器 IC。這些傳感器通常具有平面響應(yīng)，即可以檢測(cè) X-Y 平面磁場(chǎng)，但對(duì) Z 軸磁場(chǎng)的響應(yīng)有限。此外，極高磁場(chǎng)可能導(dǎo)致傳感器飽和和故障（有限動(dòng)態(tài)范圍）。由于干擾行為應(yīng)該使用較大的磁場(chǎng)，因此這就是很大的局限。
圖 3：平面霍爾效應(yīng)傳感器
借助霍爾效應(yīng)傳感技術(shù)的最新突破，已能夠生產(chǎn)滿足所有干擾檢測(cè)要求的全向磁性傳感器 IC。IC 設(shè)計(jì)和制造的進(jìn)步能夠支持構(gòu)建垂直霍爾傳感器（參閱圖 4）垂直和平面?zhèn)鞲衅骰谙嗤奈锢憩F(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)方法不同：
平面：在芯片的整個(gè)寬度和長(zhǎng)度上布置只會(huì)感測(cè) Z 軸向磁場(chǎng)，而和指向無(wú)關(guān)。
垂直：沿芯片高度方向從頂部向底部布置能夠定向感測(cè) X, Y 或其他方向。
平面霍爾元件對(duì)垂直于 IC 封裝表面的磁場(chǎng)靈敏，垂直霍爾效應(yīng)器件在平行于 X 或 Y 尺寸的晶片軸線上靈敏。圖 4 是垂直霍爾板的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。兩個(gè)垂直霍爾傳感器在單個(gè) IC 中與平面霍爾傳感器相結(jié)合形成的電磁傳感器能夠感測(cè)磁場(chǎng)，而和方向 (X, Y, 和 Z) 無(wú)關(guān)，而且不受高強(qiáng)度磁場(chǎng)的影響。過去這種解決方案需要三個(gè)分離 IC，這些 IC 最多需要 56 mm2 PCB 面積。Allegro MicroSystems, LLC 最近推出的 A1266 就是此類器件（參閱圖 5）的示例，它們使用的小型平面安裝 SOT-23W 封裝只需 9 mm2 的 PCB 面積。A1266 還具有極高的靈敏度（工作點(diǎn)，BOP），因此它能檢測(cè)大面積或大體積范圍內(nèi)的干擾5。表 1 比較了現(xiàn)有技術(shù)。
圖 4：垂直霍爾效應(yīng)傳感器
圖 5：A1266 具有 3D 全極響應(yīng)能力，是干擾檢測(cè)的理想選擇
表 1：現(xiàn)有電磁傳感器 IC 比較
| 技術(shù) | 極性 | 方向性
（最高靈敏度） | 備注 |
|---|
| 平面霍爾 | 全極 | 僅 Z 軸 | 最常見的傳統(tǒng)方法 |
| 垂直霍爾 | 全極 | X、Y 或其他平面內(nèi)方向 | 先進(jìn)的電磁傳感 IC 技術(shù) |
| 磁阻（MR） | 全極 | X-Y 平面 | 可能在高磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn) |
不同傳感器響應(yīng)的映射清晰顯示高靈敏度、全向、全極性傳感器的優(yōu)越性。以下映射假定使用大矩形電表，其表面尺寸最高為 290 mm × 165 mm；并使用 50 mm × 50 mm × 50 mm N45 磁體（參閱圖 6、7）
接受測(cè)試的傳感器在電表正面以下 35mm 的中部位置。使用機(jī)器人映射站在電表正面以上 10mm 位置，沿電表的長(zhǎng)度和寬度方向移動(dòng)磁體。圖 8 顯示映射站映射傳感器響應(yīng)的映射站裝置。
圖 6：假設(shè)儀表尺寸和傳感器氣隙
圖 7：磁體方向（南極指向電表表面）
圖 8：機(jī)器人映射站
圖 9 顯示使用傳統(tǒng)平面霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，映射此假定儀表的結(jié)果（該霍爾傳感器具有 Z 軸方向的最高靈敏度）。藍(lán)色區(qū)域是接受測(cè)試傳感器能夠檢測(cè)磁體存在的磁體位置區(qū)域。磁體在傳感器正上方時(shí)，傳感器能夠輕松檢測(cè)到磁體。隨著磁體在 X-Y 平面移動(dòng)，氣隙增加并且磁場(chǎng)方向可能不再沿最高靈敏度軸線 (Z)。但是，傳感器依然能在大致 148 mm × 148 mm 范圍內(nèi)檢測(cè)到磁體。
圖 10 顯示使用全向 (3D) 霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，映射相同假設(shè)電表的結(jié)果（此霍爾傳感器在單個(gè) IC 封裝內(nèi)安裝 2 個(gè)垂直霍爾元件和一個(gè)平面霍爾元件）。藍(lán)色區(qū)域是測(cè)試傳感器能夠檢測(cè)磁體存在的磁體位置區(qū)域。磁體在傳感器正上方時(shí)，傳感器能夠輕松檢測(cè)到磁體。隨著磁體在 X-Y 平面移動(dòng)，氣隙增加，但磁場(chǎng)出現(xiàn)離軸，工作效果降低。在此情況下，傳感器能夠在大得多的面積內(nèi)檢測(cè)到磁體，幾乎涵蓋整個(gè)假設(shè)電表表面（大致覆蓋 280 mm × 165 mm）。
在任一情況下，可以使用多個(gè)傳感器覆蓋較大面積或體積。但是，只需更少的 3D 傳感器即可覆蓋大面積/體積。在所示示例中，磁體在使用傳統(tǒng)平面霍爾 (1D) 傳感器進(jìn)行檢測(cè)的理想方向上。圖 9 所示性能可能有所下降（磁體用于電表其他方向或側(cè)部）。
這突出了三維傳感器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即可以檢測(cè)隨機(jī)施加于電表外側(cè)的磁場(chǎng)。如果是較小的電表，比如典型的單向住宅電表，單個(gè) 3D 傳感器 IC 能夠完全覆蓋整個(gè)電表。通過結(jié)合使用平面和垂直霍爾元件，Allegro MicroSystems, LLC生產(chǎn)的 A1266 等器件能夠檢測(cè)較大面積/體積的電磁干擾，而且?guī)缀醪挥每紤]磁體方向。這顯著簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并能使用最少的傳感器進(jìn)行最靈敏干擾檢測(cè)。
圖 9：1D 平面霍爾效應(yīng)傳感器的干擾覆蓋面積（43%，藍(lán)色表示檢測(cè)區(qū)域）
圖 10：3D 平面霍爾效應(yīng)傳感器的干擾覆蓋面積（92%，藍(lán)色表示檢測(cè)區(qū)域）
智能電表標(biāo)準(zhǔn)
全球有多個(gè)組織正在制定并標(biāo)準(zhǔn)化智能電表規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多地包含針對(duì)電表的干擾檢測(cè)要求。一些組織是政府機(jī)構(gòu)，有些則是專業(yè)團(tuán)體。獨(dú)立電力公司可能還要為采購(gòu)和部署的電表制定自己的標(biāo)準(zhǔn)。如果涉及磁體干擾，有關(guān)具體規(guī)范的細(xì)節(jié)水平和測(cè)試方法隨不同的標(biāo)準(zhǔn)而差異巨大。表 2 是列出了制定智能電網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的一些組織。
表 2：智能電表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
| 區(qū)域 | 機(jī)構(gòu)/標(biāo)準(zhǔn) | 鏈接 |
|---|
| 中國(guó) | 中國(guó)電力科學(xué)研究院 | www.cepri.com.cn
|
| 南瑞集團(tuán)公司 | www.narigroup.com
|
| 國(guó)家電網(wǎng)公司 | www.sgcc.com.cn/ywlm/index.shtml
|
| 德國(guó) | DIN | www.din.de/en
|
| VDE/FNN | www.vde.com/en/Pages/Homepage.aspx
|
| 印度 | 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)局 | www.bis.org.in
|
| 中央電力管理局 | www.cea.nic.in/regulations.html
|
| IEEE（印度） | smartgrid.ieee.org/resources/public-policy/india
|
| 電力部 | indiasmartgrid.org/en/technology/Pages/Advanced-Metering-Infrastructure.aspx
|
| Multiple | IEEE – 智能電網(wǎng) | smartgrid.ieee.org
|
| IEC | www.iec.ch/index.htm
|
| Prime Alliance | www.prime-alliance.org/?p=68
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| 美國(guó) | ANSI | www.ansi.org
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| NEMA | www.nema.org
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參考資料
1 全球智能電表年出貨量到 2018 年將達(dá)到 1.31 億只峰值，2013 年7 月 11 日, Richard Martin, Navigant Research (https://www.navigantresearch.com/newsroom/global-smart-meter-unit-shipments-will-peak-at-131-million-annually-in-2018)
2全球因竊電年損失 893 億美元，其中新興市場(chǎng)為 587 億美元，2014 年 12 月 9 日, PRNewswire (www.prnewswire.com/news-releases/world-loses-893-billion-to-electricity-theft-annually-587-billion-in-emerging-markets-300006515.html), Source:Northeast Group, LLC (www.northeast-group.com)
3 FBI:智能電表黑客很可能要蔓延, 2019 年 4 月 9 日, Krebs on Security (http://krebsonsecurity.com/2012/04/fbi-smart-meter-hacks-likely-to-spread/)
4 Allegro 霍爾效應(yīng)傳感器 IC, Shaun Milano, Allegro MicroSystems, LLC (http://www.allegromicro.com/en/Design-Center/Technical-documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/Allegro-Hall-Effect-Sensor-ICs.aspx)
5 A1266 微功率超靈敏 3D 霍爾效應(yīng)開關(guān)數(shù)據(jù)表, Allegro MicroSystems, LLC (http://www.allegromicro.com/en/Products/Magnetic-Digital-Position-Sensor-ICs/Micropower-Switches-Latches/A1266.aspx)
于 2016 年 1 月首發(fā)于 EDN China。經(jīng)許可后方能轉(zhuǎn)載。
