原创 高集成度智能电表芯片随需应变

在目前智能电表的设计方面存在设计需求繁多，开发周期短，可制造性及智能电表故障定位等一系列的挑战。同时，在设计智能电表时，采用多芯片整合的方法，可 能无法达到硬件的最佳配置，并将造成成本增高和可靠性下降。若众多功能采用软件编程来实现，当意外或编程者未考虑到或编程错时，电表将会出现故障。此 外，MCU容易在外干扰下死机，造成电表无法正常工作。

智能电表作为一种新型的电能表，与以往普通的电能表相比，除需要具备基本的计量功能外，智能电表还需要具有硬件RTC和完备的通信接口，用于实现自动采 集、阶梯电价、分时电价、冻结、控制、监控等功能，并且还应为实现分布式电源计量、双向互动服务、智能家居、智能小区等奠定基础。

复旦微电子公司电力电子事业部技术市场主管梁磊介绍，智能电表正向着多功能、智能化、实时互动化的方向发展，但目前所采用的PLC(电力线载波)方案在实 时性方面还难以达到要求。因此，先进的可满足实时通信要求的PLC芯片是各芯片厂商产品研发的重点。另一方面，随着智能电表成本压力及竞争的不断加剧，准 SoC(不带计量功能的SoC)或SoC(带计量功能的SoC)将是各芯片企业的另一追逐重点。

复旦微电子的设计方案具有高度的系统集成性能，良好的EMC特性，适于便捷的软件设计，以及强大的方案开发和技术支持能力。在系统集成方面，复旦微电子的 MCU芯片内部集成了MCU，带温补的硬件RTC，液晶驱动，3路硬件UART接口，2路硬件7816接口，以及1路硬件I²C接 口等丰富的系统资源(图1)。在EMC特性方面，复旦微电子MCU芯片的高度集成性，使得整个智能电表方案的硬件设计相当简洁，减少了诸多干扰环节，从而 可大大提高整个系统的EMC特性。在软件设计方面，复旦微电子MCU芯片内部的硬件资源丰富，可以使很多原来由软件来实现的功能转由硬件实现(软件硬件 化)。在方案开发和技术支持能力方面，复旦微电子是一家能够提供各省份完整智能电表方案的芯片设计公司。

作为艾萨(美国)半导体公司中国区总代理的美科芯公司，其产品经理冯磊介绍，在2009年新的智能电表标准出台后，对智能电表的计量、费控、通信、功耗、 显示、电磁干扰指标甚至存储等方面，都进行了详尽、严格的要求。这导致国内众多单、三相电表的主控芯片的差异进一步加大，几乎所有的电表企业都要重新设计 方案。

艾萨半导体的单、三相智能表主控芯片以提供先进的计量功能、高集成度的电表芯片和方案为主要目标，向国内众多电表厂家提供了全套的解决方案。其中2款智能 表主控芯片SN6501、SN6503是内部采用24位Σ-ΔADC，最低500K采样速率，带有算法硬件电路，具有温度测量功能的芯片。SN6501芯 片可用于实现2线或3线制单相表设计，计量电压、电流、有功、无功、基波/谐波功率、功率因数在内的近10项参数。SN6501芯片实现1000:1动态 范围内±0.1%的计量精度，其优异电压基准25ppm/℃的设计更好的保证计量精度，内带电压监测单元，最大限度的方便单相表的设计。SN6503芯片 是内嵌MCU单元的三相智能电表主控芯片，除实现上述计量功能外，内带LCD驱动，SPI、I2C、SUART接口，以及带温度补偿的RTC。使用 SN6503芯片可方便的实现三相智能分时段复费率电表的设计。

新国网标准规定的功能很全面，在新国网标准电表设计方面NEC、恩智普、飞思卡尔，都在设计新型智能电表芯片。艾萨半导体三相智能电表的设计采用 COTEX-M3内核的ARM单片机和高精度电量数据采集芯片为核心，利用计算机和离散数字分析技术，集中测量各种电力参数和四象限电能，并覆盖分时计 量、需量计算、事件记录、红外抄表，大屏幕LCD显示等功能(图2)。在精度和功能设计上，符合国家电网智能电表系列的0.5S级三相智能电能表的技术规 范，性能指标均符合国家Q/GDW358-2009标准的技术规范要求。

在计量方面，国家电网和南方电网智能电表标准对单相电能表除要求计量有功电量外，均要求有火线电压、电流、频率、功率、功率因数、零线电流等电参量测量功能。其中，南方电网还要求有可参数配置的零线计量功能。传统的非智能电表计量芯片已经无法满足上述功能要求。

根据表型区分，智能电表计量芯片分为单相计量和三相计量两个大类。芯海科技公司总工程师李向锋认为，单相计量芯片的技术发展趋势将会是：电压、电流、频 率、有功功率、视在功率、功率因数、零线电流、火线有功电能计量、零线有功电能计量等基本功能必须具备；计量芯片功能进一步细化：如正/反相有功电能分别 计量、组合电量、过零信号检测、相角测量、瞬时值输出等；计量芯片的动态范围会从目前的1500~2000:1逐步提升到3000~4000:1；逐步以 功率法检校替代传统的瓦秒法检校，以提高生产效率；零线抗直流分量计量会成为主流，双锰铜计量芯片会陆续推向市场；整体解决方案的成本最优化是研发方向， 如高速3线SPI接口等会逐步成为主流；低功耗的5V和3V兼容型计量芯片是未来的热点；高精度的单相和三相通用型计量芯片，是今后几年的重点研发方向。 而在三相计量芯片的发展趋势是：有功和无功电能的高精度、高稳定计量是重点；测量基准的稳定性达到10ppm/℃级；电流、电压、有功和无功功率、视在功 率、频率、过零、相序、相角测量是基本要求；以功率法校验替代传统的瓦秒法校验，缩短起动和潜动测试时间；4000:1以上动态范围内达到0.05%，信 号带宽8kHz左右；瞬时值输出，以及谐波和间谐波测量功能(可选)；失压、失流、过压、过流、全失压、闪变、电压跌落统计、AH测量等新型功能成为研发 热点；三相三线和三相四线软件识别是研发热点；全锰铜技术的三相智能费控电能表(主要是直联表)芯片是新方向；低功耗3V芯片会成为主流；单/三相芯片融 合技术。

虽然目前单相智能电表在基本功能上与三相电能表越来越重合，如对电流、电压、功率、频率、功率因数测量等均有要求，但由于单相电能表和三相电能表的计量特 点和应用场合完全不同，因此对计量芯片的要求差异非常大。单相表主要以居民用户为主，计量电量数值小，但安装基数庞大，因此更关注成本、可靠性和防窃电问 题；而三相智能电表计量的电量数值大、应用更复杂(涵盖变电站、工商业、大用户、关口、电气化铁路等)，安装基数仅及单相表的1/10，因此对计量的精确 度、可靠性、功能会特别关注，成本问题则相对次要。对于高精度的0.2S级电能表，使用的计量芯片对误差稳定性的要求更高，需要增加温度补偿功能。

当前智能电表的计量芯片通常包含信号调理、A/D转换、数字滤波、数字处理(DSP)、通信接口等5大部分，即：计量芯片先对电流电压等交流输入信号进行 PGA(倍数为：1，2，4，8，16或更大)放大，然后采用多路独立的高精度的Σ-Δ ADC进行同步采样，再用特别设计的梳状滤波器进行数字滤波，再经DSP换算为需要的电参数，如电流/电压的有效值、有功功率、无功功率、频率等测量参 数，电能的累积计算一般由单独的滤波器通道进行数值累积处理，并以“时分隔”方式同步输出电能脉冲。经过处理的参数值通过通信接口(一般为SPI)与电能 表的MCU进行通信。

芯海科技这几年已陆续推出了CSE7755、CSE7758、CSE7760、CSE7730等多款单、三相计量芯片，最近，又推出了符合国网和南网标准 的单相智能电表芯片CSE7780(图3)。芯海科技的计量芯片设计是基于自己成熟的高精度Σ-Δ A/D等核心技术进行设计的，拥有完全自主知识产权。以CSE7780B为例，与同类芯片相比，它具有以下显著特点：计量动态范围宽(达3000:1)； 具有电流、电压、频率、功率、视在功率、功率因数、火线和零线电能计量等功能；组合电量、正向和反向有功电量单独保存，读后自动清零；具有一个额外的读后 不清零的电量寄存器；控制寄存器具有防软件误操作和校验和自动校验功能；起动和潜动功率点可设置；防止上电误出电能脉冲的软闭锁功能，PCF可直接引出， 无需经过MCU；通过软件调校，实现较宽范围的增益、偏移和角差校正，适当降低了对传感器的要求；上电复位和软件复位功能；改进的SPI总线设计，支持低 成本3线制工作，隔离时可节省1个光耦；可输出电流、电压的瞬时值，用于波形监测和谐波计算；具有支持火线和零线均采用锰铜的特殊封装。

针对智能电表设计存在设计需求繁多，开发周期短，可制造性及智能电表故障定位的挑战，梁磊表示，可以从硬件和软件的设计理念上下功夫：硬件平台设计时应保 证充分的通用性和可扩展性；在软件设计时应采用模块化的设计方法，保证开发效率。同时，在可制造性和故障定位方面，软件设计中应保留大量的扩展指令，从而 方便读取系统的内部信息，提高调试的效率。

冯磊则表示，艾萨半导体的智能电表主控芯片采用标准“量身定做”的方式。除必须独立的某些功能电路外，实现智能电表设计的其他功能尽量集成在芯片中。智能 电表的一些重要功能，在片内独立运行并“硬化”，以提高产品的运行可靠性。这样定制的芯片集成度更高、可靠性更强，成本更低，更重要的是，能够减少生产环 节的质量问题，便于规模化生产。

李向锋强调，从技术层面来说，计量芯片设计面临着下列挑战：越来越高的性能要求和日益低廉的销售价格之间的矛盾，使得高性价比的平衡变得特别重要；高端三 相计量芯片由于研发周期长，市场容量小，制约了企业的研发意愿；芯片设计企业通常对智能电表的芯片应用设计比较陌生，影响市场推广成效。智能电表行业历来 注重计量精度的稳定性和抗干扰能力，有一系列的国际和国内标准进行规范和验证，如IEC62052、IEC62053、IEC62059等系列国际标 准，GB/T17215系列、DL/614-2007、Q/GDW系列、JJG596等等。芯海的电能计量芯片已经通过了包括SGS、中国电科院、赛宝、 CMC等的测试验证。

在鲁棒性和抗干扰方面，梁磊表示，由于复旦微电子的MCU芯片集成度较高，为硬件的整体设计降低了难度。集成度的提高为硬件系统的布局布线方面提供了调试 的灵活性。集成度的提高在降低整体系统复杂性的同时，也提高了鲁棒性和高抗干扰性能。由于复旦微电子的MCU芯片采用了先进的低功耗制造工艺，加之芯片设 计中采用了针对低功耗的特殊电路设计，使得整个系统的功耗可以维持在较低的水平。在易开发方面主要体现在芯片丰富的外设资源，复旦微电子芯片降低了软件开 发的复杂程度，使得基于芯片的系统较通用器件的设计方案具备易开发的特点。

冯磊则表示，艾萨半导体借助自身的优势，结合国内智能电表的现状，以高度集成，一片式解决方案的思路，为国内众多电表设计厂商提供有效解决系统鲁棒性差、 抗干扰能力低的问题。同时，在降低电表设计门槛，降低功耗方面，艾萨半导体提供了独特的解决思路。目前，艾萨半导体在现有产品的基础上，又在研发带有载波 功能和其他抄表功能的智能电表芯片。