????隨著技術(shù)和市場的發(fā)展，用戶對計量領(lǐng)域也提出了更多的新需求。

??? 1.提供出電能外所有電力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，比如：電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率、電壓相角等，這些參數(shù)對于電力系統(tǒng)的正常運行是非常重要的。

??? 2.提供諧波參數(shù)。這其實包含了兩個含義，第一是能夠?qū)⒒娔埽üβ剩┖椭C波電能（功率）分開計量，第二是能夠提供分相電流電壓的各次諧波均方根值。

??? 電力諧波是一種對電網(wǎng)污染，產(chǎn)生的原因是整流器、UPS電源、電子調(diào)速裝備、軋鋼機等電力電子設備和電器設備的使用，對電網(wǎng)危害主要有：功率損耗增加、設備壽命縮短、接地保護功能失常、遙控功能失常、電網(wǎng)過熱等?；谄淇赡茉斐韶撁嬗绊懀鲊娂姵雠_治理措施。這也是電力部門對諧波參數(shù)監(jiān)測的初衷。

??? 3.降低功耗

??? 在電能計量領(lǐng)域功耗似乎不是非常被看重，但是在現(xiàn)實中卻是越來越重要。其必要性我們可以從下面兩個方面來探討

??? a)電能表是計量表后面的負載（也就是用戶的用電量）情況，所以電能表本身的功耗是由電力部門自身承擔的，一般來說，每只機械表的功耗是1.8W而電子表是0.6W。每只電能表的功耗看似不大，但是考慮到全國范圍內(nèi)的總裝表容量（約5億臺），即使以每只表1W的功率來算，每年的損耗也會達到0.001kW×50,000,000×24h×365d＝438,000,000kWh，這絕不是一個可以忽略的數(shù)目。

??? b)防竊電?

????i.防失（欠）壓竊電?

??? 竊電者采用改變電能表計量電壓回路的正常接線，或故意造成計量電壓回路開路或接觸不良或在電壓線圈回路中串聯(lián)電阻等，導致計量電壓回路故障，使電能表的電壓線圈失壓或額定電壓降低，從而導致電能表不計或少計電量。?

??? 對于電子式電能表而言，由于其內(nèi)部芯片的正常供電均來源于電壓線圈的電壓，如果出現(xiàn)失（欠）壓，就會造成系統(tǒng)停止工作，從而完全不能對電能進行計量。?

??? 電力部門目前提出的要求是能夠在這種情況下，系統(tǒng)要能夠在電池供電的條件下對電流超過門限的情況進行計時。這就要求不管是MCU還是計量芯片都要有低功耗模式。?

????ii.防磁飽和式竊電

??? 在一些國家和地區(qū)，一些不法分子可能采用使變壓器磁飽和過載的方式來竊電，這時候會采用RC供電的方式來對付。而RC供電對功耗的限制非常大，整體的功耗必須控制在20mA以下，這是目前的系統(tǒng)比較難做到的。

MAXIM最新推出的多功能低功耗計量芯片MAXQ3180就是在這樣的大環(huán)境下走上了歷史舞臺，用以滿足電力部門不斷提出的新的要求。

用MAXQ3180設計電能表?

??? 隨著技術(shù)的發(fā)展和電力部門管理現(xiàn)代化的要求，越來越多的電子式電能表被賦予了除基本計量功能外的更多的功能，而成為我們所謂的多功能電能表。

??? 一個典型的多功能電能表由下圖中的幾部分構(gòu)成：

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??? 在這其中，MCU和計量芯片的選擇是關(guān)鍵。

??? 在新一代的電能表設計中，專用的計量芯片的使得所有有關(guān)電力參數(shù)的計算都唾手可得，從而將MCU解放出來專門進行管理功能，例如通訊、費率時段管理、存儲管理等。

如何降低系統(tǒng)功耗

??? 根據(jù)上面的電能表結(jié)構(gòu)圖，我們需要對設計的每一個部分進行分析，找出降低系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。

MCU作為系統(tǒng)核心之一，對整個系統(tǒng)的電源管理負有重要的作用。由于專用計量芯片的使用，MCU可以只進行一些簡單的管理性工作，其MIPS性能要求可以降得很低，這樣就可以選用一些非常低功耗的產(chǎn)品，同時也可以運行于比較低的頻率，使得這部分的功耗可以降得比較低。

??? 通訊以及存儲部分正常情況下都不是一直工作的，而是在有需要的時候才偶爾工作一下，其他時刻都處于靜態(tài)低功耗狀態(tài)，所以其平均功率也非常低，不成為低功耗設計的障礙。

??? 實時時鐘（RTC）由于需要在電池供電情況下保持運行，其設計就保證了功耗也是非常低。

??? LCD顯示器和驅(qū)動器都是低功耗器件，不是系統(tǒng)功耗關(guān)注的重點。

??? 由于電能計量是一個對功率積分的過程，計量芯片從其原理上就要求它連續(xù)工作，所以它就成為了整個系統(tǒng)設計中功耗最難控制的一個部分。

??? 要降低計量部分的功耗，需要從以下四個方面入手：

??? 第一就是降低工作電壓。

??? 在早期的電能表設計中，5V電源系統(tǒng)是主流，所以計量芯片為了和MCU以及其他芯片能夠進行電源匹配而都不約而同得選擇了5V供電。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，3.3V供電逐漸成為主流，5V供電的計量芯片由于必須進行電平轉(zhuǎn)換反而成為系統(tǒng)低功耗設計的累贅。MAXQ3180采用3.3V供電，使得可以很好地和主流3.3V供電MCU接口，從而有效地降低了系統(tǒng)功耗。

??? 第二是增加低功耗模式。

??? 在早期的電能表設計中，由于技術(shù)和理念的限制，使得計量芯片的低功耗模式根本沒有得到考慮，這和MCU設計中已經(jīng)具有的多種電源管理模式格格不入。MAXQ3180的出現(xiàn)使得這這個狀況得到了根本性的轉(zhuǎn)變，它能夠在MCU的控制之下降低工作頻率，進入低功耗測量模式，其功耗可以低到正常工作模式的25%~30%而保持功能基本不變，這樣就使得可以利用這個模式進行一些新特性的設計。

??? 第三是增加休眠模式和快速喚醒。

??? 在電池供電的模式下讓計量芯片連續(xù)全速工作并不現(xiàn)實，這是由當前技術(shù)工藝水平所決定的，MAXQ3180也不能例外。但是使用間歇工作模式來模擬是一個很好的解決方法。使用間歇工作模式，一個很重要的方面就是平均電流，而平均電流又取決于工作電流和占空比。MAXQ3180已經(jīng)使用低功耗模式使得工作電流大大降低，而休眠模式和快速喚醒可以使得實際工作的時間縮短，從而減小占空比，并最終降低平均電流。見下圖示例：

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??? 第四是在芯片內(nèi)部動態(tài)地控制各部分的功耗。

??? 在芯片運行過程中并不是所有的部分都需要一直處于工作狀態(tài)，很多部分完全可以間歇性地工作。采用相應的控制技術(shù)使得暫時不使用的部分處于關(guān)斷狀態(tài)可以有效地降低系統(tǒng)平均功耗，當然，在需要工作的時候快速啟動也是非常重要的，這需要在芯片設計過程中很好地分配時鐘和時序。MAXQ3180在這方面進行了有益的嘗試，取得了很好的節(jié)能效果。

??? 最后一個需要考慮的、也是非常重要的部分是電源。在目前的電能表實際中，從成本和電磁兼容的出發(fā)點考慮，大多選用了傳統(tǒng)變壓器加線性穩(wěn)壓器，這是一個電源效率比較低的方案，好處是可靠性高、紋波小。

????如果要降低功耗，可以選用傳統(tǒng)變壓器加開關(guān)穩(wěn)壓器的方案來提高電源效率。其負面影響是開關(guān)穩(wěn)壓器可能會產(chǎn)生諧波，從而對精密的測量部分引入噪聲而降低精度。這就需要在電路板設計時非常注意，同時要對給計量芯片供電的模擬電源和地線進行相應的濾波，消除噪聲影響。

??? 當然，更徹底的方法是采用開關(guān)電源，這可以大大提高電源效率。需要注意的地方除了上面所述外，還包括電磁兼容方面的設計。這是因為開關(guān)電源的高頻變壓器是高通濾波器（傳統(tǒng)變壓器是低通濾波器），對于電瞬變脈沖群（EFT）所導致傳導干擾沒有很好的抑制作用，這樣對系統(tǒng)的電磁兼容設計就提出了更高的要求。

低功耗計量芯片MAXQ3180的新特性?

??? MAXQ3180幾乎可以提供所有的電力相關(guān)參數(shù)，而且這些參數(shù)都被很好地組織起來，幾乎不需要任何處理就可以直接使用。

??? 這些參數(shù)包括：

• 分相與合相的有功/無功/視在功率、RMS電壓、RMS電流
• 電壓相角和交流電頻率
• 零相電流測量
• 可編程啟動電流門限
• 用戶可編程門限的線電壓欠壓、過壓檢測
• 功率因數(shù)…

??? MAXQ3180還能夠提供基波電能（功率）和諧波電能（功率），以及分相電流電壓的各次諧波均方根值，其中后一項對于電力質(zhì)量監(jiān)控尤其重要。

??? 這種測量是基于數(shù)字峰值濾波器的，在配置簡單地好濾波器包括-3dB帶寬和諧波中心頻率參數(shù)后，等待一定時間以使濾波器穩(wěn)定，就可以得到需要的諧波參數(shù)。

??? 下圖顯示了實現(xiàn)諧波參數(shù)測量的信號流程：

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??? MAXQ3180具備了低功耗模式和休眠模式，使得它可以在防竊電方面大展拳腳。其中一個重要的應用就是在防失（欠）壓竊電方面。

??? 當發(fā)生失（欠）壓情況時，電能表內(nèi)的電子單元失去了電壓線圈的主供電方式，就必須使用電池供電的方式下工作。

傳統(tǒng)的要求是能夠在電流線圈內(nèi)電流值大到一定的閾值開始進行計時，作為追補電量的依據(jù)。

??? 新的技術(shù)需求是希望能夠在全部電壓輸入均為0（全失壓）的情況下能夠比較連續(xù)地記錄電流值，從而進行安培小時累計來作為向用戶追補電量的依據(jù)。實際上的實現(xiàn)方式一般通過間歇工作來實現(xiàn)，這就要求計量芯片能夠在電池供電的情況下依然能夠工作。

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??? 由于傳統(tǒng)的計量芯片沒有電源管理模式，不能直接用于電池供電的場合。通常實現(xiàn)方法是采用MCU休眠喚醒，再將計量芯片的電源用MOSFET開關(guān)控制，然后間歇工作來實現(xiàn)的。

??? 由于普通的計量芯片沒有低功耗模式，在MCU用開關(guān)將其上電后必須進行長時間的包括晶體預熱和系統(tǒng)初始化才能開始工作，這樣使得每次測量的時間都拉得比較長，再加上工作時間的電流比較大，其結(jié)果就是平均電流比較高，對電池的消耗比較大。?

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????由于MAXQ3180具有低功耗模式和休眠模式，使得這種全失壓情況下的安培小時累計變得輕而易舉。

????MAXQ3180可以使用和MCU同樣的電池供電方式，這樣減少了電平轉(zhuǎn)換和電源管理芯片的成本。它可以在不需要的時候處于休眠模式，僅消耗<1uA的電流。而在需要時由MCU通過片選瞬間喚醒，進入低功耗測量模式運行。由于在休眠模式下所有的參數(shù)設置均保留，所以在喚醒后不需要進行初始化就可以直接開始工作，從而大大減少了工作時間。

??? 而且低功耗測量模式下可以不需要MCU參與，MCU可以再次進入休眠，直到MAXQ3180使用中斷或者使用MCU自身資源再次喚醒，將測量結(jié)果讀到MCU中存貯。

??? 在整個操作過程中，工作電流很小，而且工作時間很短，最終使得平均電流相對于傳統(tǒng)的方案大幅度降低。這樣，在同等電池容量和運行時間的要求下，MAXQ3180可以使用更高的頻率來進行間歇性的安培小時累計，當頻率高到一定的程度，我們可以近似地認為這樣的累計是連續(xù)的。

??? MAXQ3180的其他重要特性還包括：

??? 零線電流監(jiān)測，使得不法分子更難采用一些特殊手段進行竊電。

??? 低功耗也使得使用RC供電的防竊電方案成為可能。

??? 使用內(nèi)部的數(shù)字溫度傳感器，可以用于對實時時鐘的補償以及對計量系統(tǒng)本身的溫度漂移進行補償。

結(jié)論

??? MAXQ3180系列計量芯片也在繼續(xù)發(fā)展中，比如其功能削減版MAXQ3181，去掉諧波以及無功等參數(shù)，滿足低端應用的需求。將來使用更新工藝生產(chǎn)的型號，可以將現(xiàn)有功耗再降低50％。通過修改DSP算法，向用戶提供更多的電力計量參數(shù)等等。

從綠色節(jié)約的角度入手，低功耗設計已經(jīng)涉及到方方面面，包括我們以前所認為的對功耗并不在乎的應用，例如電能計量應用。

??? 技術(shù)的發(fā)展使得低功耗的電能表新功能成為可能，而現(xiàn)實的需求又反過來對技術(shù)的發(fā)展起了促進作用。

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參考文獻

1. MAXQ3180數(shù)據(jù)手冊。?