摘 要：電力用戶是我國(guó)電工儀器儀表最大的用戶群體，需求量占整個(gè)市場(chǎng)需求量的90%，對(duì)該類產(chǎn)品的銷售起著決定性作用，而電能表是我國(guó)電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。本文討論了電能表的低功耗設(shè)計(jì)需求以及Maxim提供的MAXQ3180低功耗電表設(shè)計(jì)方案。?
?
關(guān)鍵詞：電能表 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 多功能 低功耗 計(jì)量芯片
?
?
??? 電能表產(chǎn)品的一個(gè)重要特點(diǎn)是其定期更換特性，正常情況下電能表的更換周期是十年，但是隨著國(guó)家對(duì)電網(wǎng)建設(shè)力度的加大，實(shí)際上很多電能表在7～8年就進(jìn)行了更換，這就帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，所以對(duì)電能表設(shè)計(jì)的研究是各國(guó)主流半導(dǎo)體廠家在中國(guó)一個(gè)市場(chǎng)著重點(diǎn)。
??? 按原理劃分，電能表分為感應(yīng)式和電子式兩大類：
??? 感應(yīng)式電能表采用電磁感應(yīng)的原理把電壓、電流、相位轉(zhuǎn)變?yōu)榇帕?，推?dòng)鋁制圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤的軸（蝸桿）帶動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)計(jì)度器的鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程即是時(shí)間量累積的過(guò)程。因此感應(yīng)式電能表的好處就是直觀、動(dòng)態(tài)連續(xù)、停電不丟數(shù)據(jù)。
??? 電子式電能表運(yùn)用模擬或數(shù)字電路得到電壓和電流向量的乘積，然后通過(guò)模擬或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量功能。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，誤差曲線平直，性能穩(wěn)定可靠，自身?yè)p耗低，而且功能容易擴(kuò)展等。
??? 由于應(yīng)用了數(shù)字技術(shù)，分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表、預(yù)付費(fèi)電能表、多用戶電能表、多功能電能表紛紛登場(chǎng)，進(jìn)一步滿足了科學(xué)用電、合理用電的需求。
??? 目前從設(shè)計(jì)上看，電子式電能表已經(jīng)成為主流，占據(jù)了>70％的電能表生產(chǎn)量。而中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的電子式電能表生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，每年的生產(chǎn)量在1.5億只以上，新安裝和更換量也達(dá)到7000～9000萬(wàn)只。
電能計(jì)量領(lǐng)域?qū)?/FONT>計(jì)量芯片提出的新要求?
????隨著技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，用戶對(duì)計(jì)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(wú)功功率、視在功率、電壓相角等，這些參數(shù)對(duì)于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行是非常重要的。
??? 2.提供諧波參數(shù)。這其實(shí)包含了兩個(gè)含義，第一是能夠?qū)⒒娔埽üβ剩┖椭C波電能（功率）分開(kāi)計(jì)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(duì)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(jī)等電力電子設(shè)備和電器設(shè)備的使用，對(duì)電網(wǎng)危害主要有：功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短、接地保護(hù)功能失常、遙控功能失常、電網(wǎng)過(guò)熱等。基于其可能造成負(fù)面影響，各國(guó)紛紛出臺(tái)治理措施。這也是電力部門對(duì)諧波參數(shù)監(jiān)測(cè)的初衷。
??? 3.降低功耗
??? 在電能計(jì)量領(lǐng)域功耗似乎不是非常被看重，但是在現(xiàn)實(shí)中卻是越來(lái)越重要。其必要性我們可以從下面兩個(gè)方面來(lái)探討
??? a)電能表是計(jì)量表后面的負(fù)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(dān)的，一般來(lái)說(shuō)，每只機(jī)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(guó)范圍內(nèi)的總裝表容量（約5億臺(tái)），即使以每只表1W的功率來(lái)算，每年的損耗也會(huì)達(dá)到0.001kW×50,000,000×24h×365d＝438,000,000kWh，這絕不是一個(gè)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(jì)量電壓回路的正常接線，或故意造成計(jì)量電壓回路開(kāi)路或接觸不良或在電壓線圈回路中串聯(lián)電阻等，導(dǎo)致計(jì)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(dǎo)致電能表不計(jì)或少計(jì)電量。?
??? 對(duì)于電子式電能表而言，由于其內(nèi)部芯片的正常供電均來(lái)源于電壓線圈的電壓，如果出現(xiàn)失（欠）壓，就會(huì)造成系統(tǒng)停止工作，從而完全不能對(duì)電能進(jìn)行計(jì)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(duì)電流超過(guò)門限的情況進(jìn)行計(jì)時(shí)。這就要求不管是MCU還是計(jì)量芯片都要有低功耗模式。?
????ii.防磁飽和式竊電
??? 在一些國(guó)家和地區(qū)，一些不法分子可能采用使變壓器磁飽和過(guò)載的方式來(lái)竊電，這時(shí)候會(huì)采用RC供電的方式來(lái)對(duì)付。而RC供電對(duì)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(jì)量芯片MAXQ3180就是在這樣的大環(huán)境下走上了歷史舞臺(tái)，用以滿足電力部門不斷提出的新的要求。
用MAXQ3180設(shè)計(jì)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(lái)越多的電子式電能表被賦予了除基本計(jì)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(gè)典型的多功能電能表由下圖中的幾部分構(gòu)成：
?
?
??? 在這其中，MCU和計(jì)量芯片的選擇是關(guān)鍵。
??? 在新一代的電能表設(shè)計(jì)中，專用的計(jì)量芯片的使得所有有關(guān)電力參數(shù)的計(jì)算都唾手可得，從而將MCU解放出來(lái)專門進(jìn)行管理功能，例如通訊、費(fèi)率時(shí)段管理、存儲(chǔ)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(duì)設(shè)計(jì)的每一個(gè)部分進(jìn)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電源管理負(fù)有重要的作用。由于專用計(jì)量芯片的使用，MCU可以只進(jìn)行一些簡(jiǎn)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(shí)也可以運(yùn)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(chǔ)部分正常情況下都不是一直工作的，而是在有需要的時(shí)候才偶爾工作一下，其他時(shí)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(shè)計(jì)的障礙。
??? 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）由于需要在電池供電情況下保持運(yùn)行，其設(shè)計(jì)就保證了功耗也是非常低。
??? LCD顯示器和驅(qū)動(dòng)器都是低功耗器件，不是系統(tǒng)功耗關(guān)注的重點(diǎn)。
??? 由于電能計(jì)量是一個(gè)對(duì)功率積分的過(guò)程，計(jì)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中功耗最難控制的一個(gè)部分。
??? 要降低計(jì)量部分的功耗，需要從以下四個(gè)方面入手：
??? 第一就是降低工作電壓。
??? 在早期的電能表設(shè)計(jì)中，5V電源系統(tǒng)是主流，所以計(jì)量芯片為了和MCU以及其他芯片能夠進(jìn)行電源匹配而都不約而同得選擇了5V供電。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，3.3V供電逐漸成為主流，5V供電的計(jì)量芯片由于必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換反而成為系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，由于技術(shù)和理念的限制，使得計(jì)量芯片的低功耗模式根本沒(méi)有得到考慮，這和MCU設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)入低功耗測(cè)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(gè)模式進(jìn)行一些新特性的設(shè)計(jì)。
??? 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(jì)量芯片連續(xù)全速工作并不現(xiàn)實(shí)，這是由當(dāng)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(lái)模擬是一個(gè)很好的解決方法。使用間歇工作模式，一個(gè)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(shí)際工作的時(shí)間縮短，從而減小占空比，并最終降低平均電流。見(jiàn)下圖示例：
?
?
??? 第四是在芯片內(nèi)部動(dòng)態(tài)地控制各部分的功耗。
??? 在芯片運(yùn)行過(guò)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(yīng)的控制技術(shù)使得暫時(shí)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(dāng)然，在需要工作的時(shí)候快速啟動(dòng)也是非常重要的，這需要在芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中很好地分配時(shí)鐘和時(shí)序。MAXQ3180在這方面進(jìn)行了有益的嘗試，取得了很好的節(jié)能效果。
??? 最后一個(gè)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(shí)際中，從成本和電磁兼容的出發(fā)點(diǎn)考慮，大多選用了傳統(tǒng)變壓器加線性穩(wěn)壓器，這是一個(gè)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的方案來(lái)提高電源效率。其負(fù)面影響是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可能會(huì)產(chǎn)生諧波，從而對(duì)精密的測(cè)量部分引入噪聲而降低精度。這就需要在電路板設(shè)計(jì)時(shí)非常注意，同時(shí)要對(duì)給計(jì)量芯片供電的模擬電源和地線進(jìn)行相應(yīng)的濾波，消除噪聲影響。
??? 當(dāng)然，更徹底的方法是采用開(kāi)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(shè)計(jì)。這是因?yàn)殚_(kāi)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(duì)于電瞬變脈沖群（EFT）所導(dǎo)致傳導(dǎo)干擾沒(méi)有很好的抑制作用，這樣對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)就提出了更高的要求。
低功耗計(jì)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(lái)，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(wú)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(cè)量
-
可編程啟動(dòng)電流門限
-
用戶可編程門限的線電壓欠壓、過(guò)壓檢測(cè)
-
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(xiàng)對(duì)于電力質(zhì)量監(jiān)控尤其重要。
??? 這種測(cè)量是基于數(shù)字峰值濾波器的，在配置簡(jiǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)諧波參數(shù)測(cè)量的信號(hào)流程：
?
?
??? 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(gè)重要的應(yīng)用就是在防失（欠）壓竊電方面。
??? 當(dāng)發(fā)生失（欠）壓情況時(shí)，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(kāi)始進(jìn)行計(jì)時(shí)，作為追補(bǔ)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(jìn)行安培小時(shí)累計(jì)來(lái)作為向用戶追補(bǔ)電量的依據(jù)。實(shí)際上的實(shí)現(xiàn)方式一般通過(guò)間歇工作來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就要求計(jì)量芯片能夠在電池供電的情況下依然能夠工作。
?
?
??? 由于傳統(tǒng)的計(jì)量芯片沒(méi)有電源管理模式，不能直接用于電池供電的場(chǎng)合。通常實(shí)現(xiàn)方法是采用MCU休眠喚醒，再將計(jì)量芯片的電源用MOSFET開(kāi)關(guān)控制，然后間歇工作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
??? 由于普通的計(jì)量芯片沒(méi)有低功耗模式，在MCU用開(kāi)關(guān)將其上電后必須進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的包括晶體預(yù)熱和系統(tǒng)初始化才能開(kāi)始工作，這樣使得每次測(cè)量的時(shí)間都拉得比較長(zhǎng)，再加上工作時(shí)間的電流比較大，其結(jié)果就是平均電流比較高，對(duì)電池的消耗比較大。?
?
?
????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(shí)累計(jì)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(shí)候處于休眠模式，僅消耗<1uA的電流。而在需要時(shí)由MCU通過(guò)片選瞬間喚醒，進(jìn)入低功耗測(cè)量模式運(yùn)行。由于在休眠模式下所有的參數(shù)設(shè)置均保留，所以在喚醒后不需要進(jìn)行初始化就可以直接開(kāi)始工作，從而大大減少了工作時(shí)間。
??? 而且低功耗測(cè)量模式下可以不需要MCU參與，MCU可以再次進(jìn)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(cè)量結(jié)果讀到MCU中存貯。
??? 在整個(gè)操作過(guò)程中，工作電流很小，而且工作時(shí)間很短，最終使得平均電流相對(duì)于傳統(tǒng)的方案大幅度降低。這樣，在同等電池容量和運(yùn)行時(shí)間的要求下，MAXQ3180可以使用更高的頻率來(lái)進(jìn)行間歇性的安培小時(shí)累計(jì)，當(dāng)頻率高到一定的程度，我們可以近似地認(rèn)為這樣的累計(jì)是連續(xù)的。
??? MAXQ3180的其他重要特性還包括：
??? 零線電流監(jiān)測(cè)，使得不法分子更難采用一些特殊手段進(jìn)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(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的補(bǔ)償以及對(duì)計(jì)量系統(tǒng)本身的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。
結(jié)論
??? MAXQ3180系列計(jì)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(wú)功等參數(shù)，滿足低端應(yīng)用的需求。將來(lái)使用更新工藝生產(chǎn)的型號(hào)，可以將現(xiàn)有功耗再降低50％。通過(guò)修改DSP算法，向用戶提供更多的電力計(jì)量參數(shù)等等。
從綠色節(jié)約的角度入手，低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)涉及到方方面面，包括我們以前所認(rèn)為的對(duì)功耗并不在乎的應(yīng)用，例如電能計(jì)量應(yīng)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(shí)的需求又反過(guò)來(lái)對(duì)技術(shù)的發(fā)展起了促進(jìn)作用。
?
參考文獻(xiàn)
1. MAXQ3180數(shù)據(jù)手冊(cè)。?