??? 摘 要： 電力用戶是我國電工儀器儀表最大的用戶群體，需求量占整個市場的90%。電能表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。本文討論了電能表的低功耗設計需求以及Maxim提供的MAXQ3180低功耗電表設計方案。
??? 關(guān)鍵詞： 電能表；多功能；低功耗；計量芯片
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?????????????????????????????????????? 電能表的發(fā)展和新要求
??? 電能表產(chǎn)品的一個重要特點是需定期更換，正常情況下電能表的更換周期是10年，但是隨著國家對電網(wǎng)建設力度的加大，實際上很多電能表在7～8年就進行了更換，所以對電能表設計的研究是各半導體廠家的著重點。
??? 按原理劃分，電能表分為感應式和電子式兩大類，由于數(shù)字技術(shù)的應用，分時計費電能表、預付費電能表、多用戶電能表、多功能電能表紛紛推出，進一步滿足了科學用電、合理用電的需求。目前從設計上看，電子式電能表已經(jīng)成為主流，占據(jù)了超過70％的電能表生產(chǎn)量。而中國已經(jīng)成為最大的電子式電能表生產(chǎn)和消費國，每年的生產(chǎn)量在1.5億只以上，新安裝和更換量也達到7 000～9 000萬只。
??? 隨著技術(shù)和市場的發(fā)展，用戶對計量領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)。電力諧波會產(chǎn)生對電網(wǎng)的污染，其原因是整流器、UPS電源、電子調(diào)速裝備、軋鋼機等電力電子設備和電器設備的使用，對電網(wǎng)的危害主要有：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。基于其可能造成的負面影響,電力部門加強了對諧波參數(shù)的監(jiān)測。
??? (3)降低功耗。電能表是計量表后面的負載，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），每年的損耗是一個不可忽略的數(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，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在這種情況下，系統(tǒng)仍能在電池供電的條件下對電流超過門限的情況進行計時，這就要求不論是MCU還是計量芯片都要有低功耗模式。
??? 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，這時會采用RC供電的方式來應對。而RC供電對功耗的限制非常大，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的電能表設計
?? ?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功能，即多功能電能表。一個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和計量芯片的選擇是關(guān)鍵。在新一代的電能表設計中，專用計量芯片更便于所有相關(guān)電力參數(shù)的計算，所以將MCU分離出來專門實現(xiàn)管理功能，例如通訊、費率時段管理、存儲管理等。
???????????????????????????????? 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可只進行簡單的管理性工作，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，同時也可運行于比較低的頻率，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部分是在有需要時才工作，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其連續(xù)工作，所以它就成為整個系統(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，需要從以下五個方面入手：
?? ?(1)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，計量芯片為了和MCU以及其他芯片進行電源匹配都選擇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，進入低功耗測量模式，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模式進行一些新特性的設計。
?? ?(3)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也不例外。但是使用間歇工作模式進行模擬是一種很好的解決方法。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，如圖2示例。
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??? (4)動態(tài)控制功耗
?? ?在芯片運行過程中，很多部分采用間歇性工作方式，使得暫時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。當然，在需要工作時快速啟動也非常重要，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。
?? ?(5)電源
?? ?在目前的電能表設計中，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，從而消除噪聲的影響。
??? 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。除了上面所述注意事項外，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）所導致的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。其中包括：
?? ?(1)分相與合相的有功/無功/視在功率、RMS電壓、RMS電流；
?? ?(2)電壓相角和交流電頻率；
?? ?(3)零相電流測量；
?? ?(4)可編程啟動電流門限；
?? ?(5)用戶可編程門限的線電壓欠壓、過壓檢測；
?? ?(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，其中后一項對于電力質(zhì)量監(jiān)控尤其重要。這種參數(shù)的測量是基于數(shù)字峰值濾波器的，圖3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，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。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開始計時，作為追補電量的依據(jù)，圖4為傳統(tǒng)模式下全失壓累計模式示意圖。
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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，從而進行安培小時累計來作為向用戶追補電量的依據(jù)。實際中一般通過間歇工作來實現(xiàn)，這就要求計量芯片在電池供電的情況下依然能夠工作。
??? 由于傳統(tǒng)的計量芯片沒有電源管理模式，因此不能直接用于電池供電的場合。通常方法是MCU休眠喚醒，再將計量芯片的電源用MOSFET開關(guān)控制，利用間歇工作模式來實現(xiàn)。
?? ?又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)初始化后才能開始工作，這樣使得每次測量的時間都比較長，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。
??? 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累計，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。它可以在不需要時處于休眠模式，僅消耗少于1μA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直接工作，從而大大減少了工作時間，而且低功耗測量模式下不需要MCU參與，MCU可再次進入休眠，直到MAXQ3180使用中斷或者使用MCU自身資源再次喚醒，并將測量結(jié)果讀到MCU中存儲。
??? 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)方案大幅降低。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，可以近似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)測使不法分子更難采用一些特殊手段進行竊電；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，可對實時時鐘和計量系統(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，可向用戶提供更多的電力計量參數(shù)等等。
??? 從綠色節(jié)約的角度考慮，低功耗設計已經(jīng)涉及到方方面面，包括以前認為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提供更多新功能成為可能，而現(xiàn)實的需求又對技術(shù)的發(fā)展起到促進作用。