??? 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)的90%。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；多功能；低功耗；計(jì)量芯片
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?????????????????????????????????????? 電能表的發(fā)展和新要求
??? 電能表產(chǎn)品的一個(gè)重要特點(diǎn)是需定期更換，正常情況下電能表的更換周期是10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，所以對(duì)電能表設(shè)計(jì)的研究是各半導(dǎo)體廠家的著重點(diǎn)。
??? 按原理劃分，電能表分為感應(yīng)式和電子式兩大類，由于數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表、預(yù)付費(fèi)電能表、多用戶電能表、多功能電能表紛紛推出，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)了超過(guò)70％的電能表生產(chǎn)量。而中國(guó)已經(jīng)成為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7 000～9 000萬(wàn)只。
??? 隨著技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，用戶對(duì)計(jì)量領(lǐng)域提出了更多的新需求。
?? ?(1)提供除電能外所有電力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，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)。電力諧波會(huì)產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)的污染，其原因是整流器、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)的危害主要有：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。基于其可能造成的負(fù)面影響,電力部門加強(qiáng)了對(duì)諧波參數(shù)的監(jiān)測(cè)。
??? (3)降低功耗。電能表是計(jì)量表后面的負(fù)載，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)），每年的損耗是一個(gè)不可忽略的數(shù)目。
?? ?防竊電也是降低功耗的一方面，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，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在這種情況下，系統(tǒng)仍能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)，這就要求不論是MCU還是計(jì)量芯片都要有低功耗模式。
??? 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)會(huì)采用RC供電的方式來(lái)應(yīng)對(duì)。而RC供電對(duì)功耗的限制非常大，整體功耗必須控制在20mA以下，這是目前的系統(tǒng)難以做到的。
?? ?基于以上情況，Maxim研發(fā)了多功能低功耗計(jì)量芯片MAXQ3180，用以滿足電力部門不斷提出的新的要求。
??????????????????????????????????基于MAXQ3180的電能表設(shè)計(jì)
?? ?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)量功能外的更多功能，即多功能電能表。一個(gè)典型的多功能電能表由圖1中的幾部分構(gòu)成。
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??? 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，專用計(jì)量芯片更便于所有相關(guān)電力參數(shù)的計(jì)算，所以將MCU分離出來(lái)專門實(shí)現(xiàn)管理功能，例如通訊、費(fèi)率時(shí)段管理、存儲(chǔ)管理等。
???????????????????????????????? 降低系統(tǒng)功耗的分析和方案
??? 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可只進(jìn)行簡(jiǎn)單的管理性工作，其MIPS性能要求可以降得很低，這樣就可選用低功耗的產(chǎn)品，同時(shí)也可運(yùn)行于比較低的頻率，使得這部分的功耗可以降得比較低。
??? 正常情況下通訊以及存儲(chǔ)部分是在有需要時(shí)才工作，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其連續(xù)工作，所以它就成為整個(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，需要從以下五個(gè)方面入手：
?? ?(1)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，計(jì)量芯片為了和MCU以及其他芯片進(jìn)行電源匹配都選擇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)的障礙。MAXQ3180采用3.3V供電，使其可以和主流3.3V供電MCU接口，從而有效地降低系統(tǒng)功耗。
?? ?(2)增加低功耗模式
?? ?MAXQ3180能夠在MCU的控制下降低工作頻率，進(jìn)入低功耗測(cè)量模式，其功耗可低到正常工作模式的25%~30%而保持功能基本不變，這樣就可以利用這個(gè)模式進(jìn)行一些新特性的設(shè)計(jì)。
?? ?(3)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也不例外。但是使用間歇工作模式進(jìn)行模擬是一種很好的解決方法。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，如圖2示例。
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??? (4)動(dòng)態(tài)控制功耗
?? ?在芯片運(yùn)行過(guò)程中，很多部分采用間歇性工作方式，使得暫時(shí)不使用的部分處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣可以有效地降低系統(tǒng)平均功耗。當(dāng)然，在需要工作時(shí)快速啟動(dòng)也非常重要，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。
?? ?(5)電源
?? ?在目前的電能表設(shè)計(jì)中，從成本和電磁兼容方面考慮，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，從而消除噪聲的影響。
??? 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。除了上面所述注意事項(xiàng)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)致的傳導(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。其中包括：
?? ?(1)分相與合相的有功/無(wú)功/視在功率、RMS電壓、RMS電流；
?? ?(2)電壓相角和交流電頻率；
?? ?(3)零相電流測(cè)量；
?? ?(4)可編程啟動(dòng)電流門限；
?? ?(5)用戶可編程門限的線電壓欠壓、過(guò)壓檢測(cè)；
?? ?(6)功率因數(shù)等。
?? ?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。這種參數(shù)的測(cè)量是基于數(shù)字峰值濾波器的，圖3顯示了實(shí)現(xiàn)諧波參數(shù)測(cè)量的信號(hào)流程。
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??? MAXQ3180具備了低功耗模式和休眠模式，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。傳統(tǒng)的要求是能夠在電流線圈內(nèi)電流值大到一定閾值時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，作為追補(bǔ)電量的依據(jù)，圖4為傳統(tǒng)模式下全失壓累計(jì)模式示意圖。
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????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)際中一般通過(guò)間歇工作來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就要求計(jì)量芯片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，因此不能直接用于電池供電的場(chǎng)合。通常方法是MCU休眠喚醒，再將計(jì)量芯片的電源用MOSFET開(kāi)關(guān)控制，利用間歇工作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
?? ?又由于普通的計(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)初始化后才能開(kāi)始工作，這樣使得每次測(cè)量的時(shí)間都比較長(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。
??? MAXQ3180具有低功耗模式和休眠模式，更便于全失壓情況下的安培小時(shí)累計(jì)，其示意圖如圖5所示。
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??? 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。它可以在不需要時(shí)處于休眠模式，僅消耗少于1μA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)行初始化就可直接工作，從而大大減少了工作時(shí)間，而且低功耗測(cè)量模式下不需要MCU參與，MCU可再次進(jìn)入休眠，直到MAXQ3180使用中斷或者使用MCU自身資源再次喚醒，并將測(cè)量結(jié)果讀到MCU中存儲(chǔ)。
??? 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)方案大幅降低。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，可以近似認(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)使不法分子更難采用一些特殊手段進(jìn)行竊電；低功耗也使采用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，可對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和計(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)量芯片仍在持續(xù)發(fā)展中，例如其功能削減版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，可向用戶提供更多的電力計(jì)量參數(shù)等等。
??? 從綠色節(jié)約的角度考慮，低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)涉及到方方面面，包括以前認(rèn)為對(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提供更多新功能成為可能，而現(xiàn)實(shí)的需求又對(duì)技術(shù)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。