電能表經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)多的演進(jìn)：由機(jī)械式電表到今日的各種不同型式的電子電能表，包含新的預(yù)付費(fèi)電能表 復(fù)費(fèi)率電能表以及具有雙向通訊能力的電子式電能表等，其提供的擴(kuò)展功能包括：自動(dòng)讀表(AMR)、線上查詢、遠(yuǎn)程連接/斷開(kāi)，以及復(fù)雜的計(jì)費(fèi)結(jié)構(gòu)等等。這些電能表還可讓使用者對(duì)其耗電量有更好的控制，以便節(jié)省電費(fèi)及更有效地分配用電量。
如圖1所示，電子電能表的基本架構(gòu)包括下列各主要功能模塊：電壓電流取樣電路；16位以上分辨率的ADC；計(jì)量與控制單元；通信接口；操作界面；顯示器；存儲(chǔ)器。本文將以存儲(chǔ)器為重點(diǎn)說(shuō)明為何電子式電能表需要使用鐵電存儲(chǔ)器(F-RAM)。
鐵電存儲(chǔ)器的技術(shù)特點(diǎn)
首先要說(shuō)明的是鐵電存儲(chǔ)器和浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的技術(shù)差異。現(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)，浮動(dòng)?xùn)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/存儲(chǔ)單元" title="存儲(chǔ)單元" target="_blank">存儲(chǔ)單元包含一個(gè)電隔離門(mén)，浮動(dòng)?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制柵的下面及通道層的上面。浮動(dòng)?xùn)攀怯梢粋€(gè)導(dǎo)電材料，通常是多芯片硅層形成的 (如圖2所示)。浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的信息存儲(chǔ)是通過(guò)保存浮動(dòng)?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的電壓就能達(dá)到電荷添加或擦除的動(dòng)作，從而確定存儲(chǔ)單元是在 ”1”或“0” 的狀態(tài)。但是浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)需使用電荷泵來(lái)產(chǎn)生高電壓，迫使電流通過(guò)柵氧化層而達(dá)到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦寫(xiě)延遲。高寫(xiě)入功率和長(zhǎng)期的寫(xiě)操作會(huì)破壞浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元，從而造成有限的擦寫(xiě)存儲(chǔ)次數(shù)（例如：閃存約十萬(wàn)次，而EEPROM則約1百萬(wàn)次)。
鐵電存儲(chǔ)器是一種特殊工藝的非易失性的存儲(chǔ)器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲(chǔ)器結(jié)晶體，如圖3所示。當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被施加到鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)停在低能量狀態(tài)I位置，反之，當(dāng)電場(chǎng)反轉(zhuǎn)被施加到同一鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)并停在另一低能量狀態(tài)II。大量中心原子在晶體單胞中移動(dòng)耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場(chǎng)作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場(chǎng)下無(wú)反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較低，這種鐵電材料的二元穩(wěn)定狀態(tài)使得鐵電可以作為存儲(chǔ)器。
圖1、電子電能表的基本電路方塊圖。
圖2、浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元
圖3、鐵電存儲(chǔ)器結(jié)晶單元。
特別是當(dāng)移去電場(chǎng)后，中心原子處于低能量狀態(tài)保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存不會(huì)消失，因此可利用鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)形成高極化電荷，或無(wú)反轉(zhuǎn)形成低極化電荷來(lái)判別存儲(chǔ)單元是在 ”1”或 “0” 狀態(tài)。鐵電疇的反轉(zhuǎn)不需要高電場(chǎng)，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲(chǔ)單元是在 ”1”或 “0” 的狀態(tài)；也不需要電荷泵來(lái)產(chǎn)生高電壓數(shù)據(jù)擦除，因而沒(méi)有擦寫(xiě)延遲的現(xiàn)象。這種特性使鐵電存儲(chǔ)器在掉電后仍能夠繼續(xù)保存數(shù)據(jù)，寫(xiě)入速度快且具有無(wú)限次寫(xiě)入壽命，不容易寫(xiě)壞。所以，與閃存和EEPROM 等較早期的非易失性內(nèi)存技術(shù)比較，鐵電存儲(chǔ)器具有更高的寫(xiě)入速度和更長(zhǎng)的讀寫(xiě)壽命。