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作者：Joseph Hollins 和 Ryan Metivier，
Allegro MicroSystems, LLC
各種機械和電子系統(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、自動取款機、賭博/游戲機、自動售票機或電子鎖等，他們希望能夠改變、停用這些設備，或是竊取產(chǎn)品和服務。此文重點介紹智能電表，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 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，每年干擾智能電表導致的竊電量接近 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力磁體破壞電表檢測耗電量的功能3。使用的磁體通常磁性很強，并且相對較大并且沉重。這種磁體能夠網(wǎng)購獲得，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，則會使偵測電表電流的電流互感器出現(xiàn)磁飽和。磁芯飽和會導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所出現(xiàn)這種行為，但檢測干擾的可性性很大，以便采取補救措施，比如派遣服務工作人員或遠程禁用此電表。全球有多個組織正在制定智能調(diào)表規(guī)范，包括針對電表的干擾檢測要求。請參閱“表 2：智能電表行業(yè)標準”（下文），了解更多詳情。
為了實現(xiàn)有效的檢測，用于檢測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，但磁體遠離時，其磁場強度會呈指數(shù)級衰減。傳感器內(nèi)部位置的磁場強度可能比磁體表面的磁場強度低得多。電表使用的某些組件可能扭曲施加磁場，如果靈敏度不夠高，可能導致傳感器檢測區(qū)域出現(xiàn)“陰影”或“空洞”。
高動態(tài)范圍：某些電磁傳感技術有磁場上邊界。霍爾效應技術對施加磁場沒有上限要求。全極靈敏度：試圖干擾電表的犯罪分子不大可能關注施加到系統(tǒng)外殼的磁體的磁極，他們只會嘗試找到能發(fā)揮作用的磁極。該傳感器應能檢測到磁場，而和磁體方向無關。
全向靈敏度：很多老式電磁傳感器只在單個方向或平面上對磁場靈敏。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（正面、頂面、底面或側面），傳感器應在所有三個方向上（X, Y, 和 Z）同樣敏感。
通常而言，磁體遠離時，其磁場強度會呈指數(shù)級衰減。作為示例，如果從 50mm 以外（1 倍磁體厚度）測量表面磁場強度為 6000 G (600 mT) 的大型稀土磁體 (50 mm × 50 mm × 50 mm)，其磁場強度大致為 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)驗而言，距離磁體一個厚度距離的位置具有十分之一磁場強度。
圖 2：磁場與磁極距離 (mm)，50 mm × 50 mm × 50 mm N45 磁體
如果傳感器安裝在電表內(nèi)部，必須考慮距電表側面和表面的距離，才能確定傳感器對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傳感器 IC。這些 IC 使用霍爾效應檢測磁場，該效應是以埃德溫·霍爾 (Edwin Hall) 的名字命名的，他在 1879 年發(fā)現(xiàn)：當一個磁場沿垂直于金屬板平面的方向穿過金屬板時，載流導電板4上會產(chǎn)生電勢。如圖 3 所示，電流施加于導電板。垂直于導電板（電流）的磁場會在導電板形成差分電壓。傳感器測量此電壓作為施加磁場的指示。注意，傳統(tǒng)平面霍爾效應傳感器只能測量垂直于傳感片或平面的磁場。如果是表面安裝 IC，導電板通常與安裝傳感器的 PCB 平面平行。只有 Z 軸方向的磁場能有效檢測，而與傳感器的方位/轉動無關。
有效感測 X 和 Y 磁場需要在單獨 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的傳感器之間保持適當角度，從而使用霍爾板指向正確。這兩種方法都會增加組件數(shù)量和成本、系統(tǒng)復雜性和裝配成本。用戶可以安裝大量傳統(tǒng)平面霍爾傳感器，并依靠“邊緣”場將其激活，但這也會增加系統(tǒng)成本和復雜性。
技術人員使用各種磁阻技術制造電磁傳感器 IC。這些傳感器通常具有平面響應，即可以檢測 X-Y 平面磁場，但對 Z 軸磁場的響應有限。此外，極高磁場可能導致傳感器飽和和故障（有限動態(tài)范圍）。由于干擾行為應該使用較大的磁場，因此這就是很大的局限。
圖 3：平面霍爾效應傳感器
借助霍爾效應傳感技術的最新突破，已能夠生產(chǎn)滿足所有干擾檢測要求的全向磁性傳感器 IC。IC 設計和制造的進步能夠支持構建垂直霍爾傳感器（參閱圖 4）垂直和平面?zhèn)鞲衅骰谙嗤奈锢憩F(xiàn)象，但結構方法不同：
平面：在芯片的整個寬度和長度上布置只會感測 Z 軸向磁場，而和指向無關。
垂直：沿芯片高度方向從頂部向底部布置能夠定向感測 X, Y 或其他方向。
平面霍爾元件對垂直于 IC 封裝表面的磁場靈敏，垂直霍爾效應器件在平行于 X 或 Y 尺寸的晶片軸線上靈敏。圖 4 是垂直霍爾板的結構細節(jié)。兩個垂直霍爾傳感器在單個 IC 中與平面霍爾傳感器相結合形成的電磁傳感器能夠感測磁場，而和方向 (X, Y, 和 Z) 無關，而且不受高強度磁場的影響。過去這種解決方案需要三個分離 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，BOP），因此它能檢測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。
圖 4：垂直霍爾效應傳感器
圖 5：A1266 具有 3D 全極響應能力，是干擾檢測的理想選擇
表 1：現(xiàn)有電磁傳感器 IC 比較
| 技術 | 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 | 先進的電磁傳感 IC 技術 |
| 磁阻（MR） | 全極 | X-Y 平面 | 可能在高磁場翻轉 |
不同傳感器響應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）
接受測試的傳感器在電表正面以下 35mm 的中部位置。使用機器人映射站在電表正面以上 10mm 位置，沿電表的長度和寬度方向移動磁體。圖 8 顯示映射站映射傳感器響應的映射站裝置。
圖 6：假設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：機器人映射站
圖 9 顯示使用傳統(tǒng)平面霍爾傳感器檢測磁場時，映射此假定儀表的結果（該霍爾傳感器具有 Z 軸方向的最高靈敏度）。藍色區(qū)域是接受測試傳感器能夠檢測磁體存在的磁體位置區(qū)域。磁體在傳感器正上方時，傳感器能夠輕松檢測到磁體。隨著磁體在 X-Y 平面移動，氣隙增加并且磁場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)檢測到磁體。
圖 10 顯示使用全向 (3D) 霍爾傳感器檢測磁場時，映射相同假設電表的結果（此霍爾傳感器在單個 IC 封裝內(nèi)安裝 2 個垂直霍爾元件和一個平面霍爾元件）。藍色區(qū)域是測試傳感器能夠檢測磁體存在的磁體位置區(qū)域。磁體在傳感器正上方時，傳感器能夠輕松檢測到磁體。隨著磁體在 X-Y 平面移動，氣隙增加，但磁場出現(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)檢測到磁體，幾乎涵蓋整個假設電表表面（大致覆蓋 280 mm × 165 mm）。
在任一情況下，可以使用多個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) 傳感器進行檢測的理想方向上。圖 9 所示性能可能有所下降（磁體用于電表其他方向或側部）。
這突出了三維傳感器的另一個優(yōu)勢，即可以檢測隨機施加于電表外側的磁場。如果是較小的電表，比如典型的單向住宅電表，單個 3D 傳感器 IC 能夠完全覆蓋整個電表。通過結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。這顯著簡化了系統(tǒng)設計，并能使用最少的傳感器進行最靈敏干擾檢測。
圖 9：1D 平面霍爾效應傳感器的干擾覆蓋面積（43%，藍色表示檢測區(qū)域）
圖 10：3D 平面霍爾效應傳感器的干擾覆蓋面積（92%，藍色表示檢測區(qū)域）
智能電表標準
全球有多個組織正在制定并標準化智能電表規(guī)范。這些標準越來越多地包含針對電表的干擾檢測要求。一些組織是政府機構，有些則是專業(yè)團體。獨立電力公司可能還要為采購和部署的電表制定自己的標準。如果涉及磁體干擾，有關具體規(guī)范的細節(jié)水平和測試方法隨不同的標準而差異巨大。表 2 是列出了制定智能電網(wǎng)系統(tǒng)標準的一些組織。
表 2：智能電表行業(yè)標準
| 區(qū)域 | 機構/標準 | 鏈接 |
|---|
| 中國 | 中國電力科學研究院 | www.cepri.com.cn
|
| 南瑞集團公司 | www.narigroup.com
|
| 國家電網(wǎng)公司 | www.sgcc.com.cn/ywlm/index.shtml
|
| 德國 | DIN | www.din.de/en
|
| VDE/FNN | www.vde.com/en/Pages/Homepage.aspx
|
| 印度 | 工業(yè)標準局 | 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
|
| 美國 | ANSI | www.ansi.org
|
| NEMA | www.nema.org
|
參考資料
1 全球智能電表年出貨量到 2018 年將達到 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 霍爾效應開關數(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)許可后方能轉載。
