标签: 智能电表

作为智能电网的的基本数据采集设备，智能电表除了必须的采集、计量和传输功能外，还因该具有双向多种费率计量、用户端控制、多种数据传输模式的双向数据通信、防窃电等智能化功能。这就要求核心器件——MCU具有LCD接口、RTC实时时钟、各类通信等外设，如RS485、PLC、无线模块等接口，具有良好的性价比和超低功耗。 由于特殊工作模式和超低功耗要求，智能电表MCU属于一种专用芯片。以下以FM3318为例，说明电表类MCU的实用方法。 1. 性能特点 电表MCU电源范围2.0~5.5V，工作温度-40°C~+85°C，具有低电压检测报警功能，其特殊性主要体现在时钟和模数转换方面。 （1）时钟系统 FM3318带有两路内部时钟，高速时钟RCHF工作电流典型值为70μA，最大值为100μA，高速振荡频率最小值为8MHz，最大值为32MHz。低速时钟RCLF频率125kHz，工作电流为5μA。 FM3318支持两路外部晶体振荡器，高速外部振荡频率XTHF采用外接的1-12MHz石英晶体作为时钟源，振荡频率最小为1MHz，最大为12MHz，工作电流为750-2000μA。 FM3318 MCU的6种工作模式 低速外部振荡频率XTLF由外接32768Hz石英晶体产生。为降低智能电表的系统功耗，该晶振提供4种工作模式，工作电流分别为： 弱振：0.8μA 次弱振：1.6μA 次强振：4μA 强振：10μA 由于如此苛刻的工作模式和超低功耗要求，FM3318 MCU采用了由日本精工专门定制的32768Hz石英晶体作为时钟源。 PLL方面，FM3318 MCU的输入时钟频率为32kHz，输出时钟频率典型值为16MHz，最大值24MHz，最小值为8MHz，锁定时间2ms，抖动峰峰值为500ps。 (2)ADC MCU带有高分辨率ADC，典型值为11bits，DNL差分非线性度为+-1LSB，INL积分分线性度为+-2，失调误差典型值+-1，最大值+-3，转换时间不超过2048个时钟，转换速率为500Sps。 2. 使用事项 为了满足智能电表的低功耗要求，FM3318 MCU采用了由日本精工专门定制的32768Hz石英晶体作为时钟源。安排生产时，必须注意以下事项： （1）采用FM3318 MCU芯片进行生产时，与FM3318匹配的32768Hz晶振必须采用复旦微定制的精工晶体，具体型号为VT-200-F（匹配电容12.5pF，20ppm）。 （2）32768Hz晶振外壳在进行固定时，不得采用点锡方式将外壳与地进行固定，点锡时过高的温度会导致32768Hz晶体的永久性损伤。 =25mil。 （4）若采用超声波工艺对电表模块进行清洗时，32768Hz晶振不得焊接，必须在超声波清洗工艺完成以后，再焊接上32768Hz晶振，否则超声波会导致32768Hz晶体的永久性损伤。 （5）不得采用超声波进行表壳焊接，否则也会导致32768Hz晶体的永久性损伤。另外，如果对引脚进行焊接，温度要控制在300摄氏度以下，加热时间要控制在5秒以内，外壳受热部位温度要控制在150摄氏度以内。

智能电表以双向数据通信、防窃电等优势得到广泛普及，并带动了MCU和晶振等元器件的需求。为了实现性价比和超低功耗，复旦微电子委托日本精工为其FM3318智能电表专用MCU芯片定制了一款专用晶振——VT-200-F，并制定了专门的生产工艺。下面我们带大家了解下VT-200-F晶振的点，并与精品做简单比较。 VT-200-F技术参数 精工官网显示，VT-200-F石英晶振采用光刻技术加工和小型圆柱封装，具有优良的耐冲击性、耐热性，符合RoHS指令，完全无铅化。主要性能如下： 工作频率（f_nom）：32.768kHz 总频差（f_tol）：±5ppm、±10ppm、±20ppm，可定制 峰值温度（Ti）：+25±5ºC 二级温度系数（B）：−0.035±10%ppm/ºC2 负载容量（CL）：7.0pF~12.5pF，可定制 串联电阻（R1）：50kΩ最大值 绝对最大驱动电平（DL）：1.0μW最大值 驱动电平（DL）：0.1μW 并联电容（C0）：0.9pF典型值 频率老化程度（f_age）：±3ppm 工作温度范围（T_use）：−10ºC to +60ºC 保存温度范围（T_stg）：−30ºC to +70ºC 根据复旦微电子FM3318智能电表专用MCU数据表要求，外接的低速XTLF晶振应该功耗低，提供4种工作模式，工作电流满足MCU要求： 弱振：0.8μA 此弱振：1.6μA 次强振：4μA 强振：10μA 可见，VT-200-F的激励等级（DL）只有0.1μW，绝对最大激励等级（DL）不超过1.0μW，满足了FM3318要求的四级工作模式种的最低耗电要求。 国产替代选型考虑 目前，国内从事32768Hz晶振的厂家不多，主要有泰晶科技、惠伦晶体等上市公司。满足FM3318智能电表低功耗要求的有泰晶科技、惠伦晶体的7SQ系列。 （1）泰晶科技TF系列、M系列 提供TF系列32.768kHz石英晶体谐振器，包括TF145、TF206、TF308、TFD206、M8、M6、M5、M5（低电型）、M3、M2等13个品种。 TF系列晶振工作频率32.768kHz，驱动点评不超过1.0μW，25℃老化首年不超过±5ppm，总频差、负载电容均可定制。 TF系列晶振有引线型和SMD两种封装形式，TF系列（TF145、TF206、TF308、TFD206）采用传统的引线型金属罐封装，M系列（M8、M6、M5、M3、M2）采用SMD封装。其中，M5晶振尺寸3.2mm*1.5mm*0.9mm，具有良好的性价比，可用于便携式移动装置、可穿戴和医疗保健等应用。 （2）惠伦晶体7SQ系列 7SQ系列各项指标达到了FM3318定制晶振要求，工作频率32.768kHz，调整频差±10、±20ppm（可定制），负载电容有6、7、9,、2.5pF（可定制），峰值温度25±5 ℃，温度系数不查过-0.04ppm/℃，等效串联电阻不超过65kΩ，驱动电平不超过1.0μW，寄生电容典型值为0.8pF，25℃老化不超过±3ppm /年。 根据厂家提供的规格书，上述国产晶振都满足智能电表在低功耗方面的要求，负载电容、总频差可根据用户要求定制，安装尺寸有多种选择，这为用户设计提供了很大的灵活性。另外，国产品牌还有货源充足、交期短等优势，可有效化解供应链短缺风险。

备用电源对电子式智能电表断电时保持运行至关重要，此设计采用超级电容器作为储能元件，可在主电源与备用操作之间无缝转换，用于电源中断期间自动为电表提供备用电压。 电路原理 当输入电压介于10-12V之间时，两个降压控制器（TPS62147、TPS62173）生成3.9V(2A)和5V(150mA)的输出。可选同步升压控制器在50mA时生成 3.3V电压。离散充电电路以恒定电流和最高2.7V的可调节电压给超级电容器充电。当输入电压失效时，由同步升压控制器接管并将超级电容器电压升压至3.9V。 超级电容器的电容和电压决定可用的备用电能。此设计可以持续70秒左右提供3.9V(200mA)稳定备用输出电压，直到输出电压下降。 本方案支持高输出功率射频通信，例如LTE、NB-IOT或者无线MBUS或6LoWPAN，单一超级电容器设计可最大限度降低系统成本。 芯齐齐BOM分析 本方案结构进奏，4个电源管理芯片来自TI。其中，TL431C是可调式精密并联稳压器，只需两个电阻就可以从Vref（2.5V）到36V范围内任意设置输出电压，电压参考误差0.4%，全温度范围内温度特性平坦, 典型值为50ppm。 TPS62147是具有1%精度和PFM/强制PWM特性的3-17V 2.0A降压转换器，TPS62173是3-17V 0.5A降压转换器。 TLV61225是单节电池3.3V输出电压高效升压转换器，TPS61022是具有0.5V超低输入电压的8A升压转换器。 C11为25F超级电容器，ESR小于0.027欧，南通江海、肇庆绿宝石、精工电子国内厂家均有生产。 上述BOM元器件均为常规品类，市场上也有替代品，客户既可原厂订货，也可从硬之城（allchips）一站购齐。

STPM33双相电表精度达0.2%，带有防篡改监测、CT和分流传感器，适合Vnom=140-300V(RMS), Inom/Imax = 5/100A(RMS)的, flin = 50/60Hz±10%，Tamb = -40 to +85°C的供电系统。 STPM33双相智能电表开发板 系统板采用3.3V电源，可通过一个隔离的RS232端口或者STEVAL-IPE023V1 USB隔离接口工具，与一个运行评估软件的PC进行接口，以便配置和阅读数据。 评估板IEC61000带有SPI/UART引脚，可与MCU接口开发新的应用。 方案原理 方案采用STPM33属于ASSP芯片，采用罗氏线圈、电流互感器或旁路电流传感器，可在电力线系统中实现对功率和电能的高精确性测量。这些器件可提供瞬时电压和电流波形，并计算电压和电流的均方根（有效）值、有功功率、无功功率、视在功率和电能。 STPM33是由模拟部分和数字部分组成的混合信号IC。模拟部分包含多达两个可编程增益低噪声低失调放大器和多达四个二阶24位∑-Δ型模数转换器、两个带独立温度补偿的能隙电压基准、一个低压降稳压器和若干直流缓冲器。数字部分包含数字滤波级、一款硬接线DSP、DFE连接输入，以及一个串行通信接口（UART或SPI）。它们是完全可配置的，在整个电流动态范围中，只需一个负载点即可快速实现数字系统校准。 STPM33具有用于应用开发的SPI/UART引脚，提供微控制器的接口，包括5个SPI引脚（MISO、MOSI、SCS、SYN、SCL）以及4个UART引脚（(RX、TX、SCS、SYN），这些外设共用相同管脚，不能同时使用。 电路通过Silicon Labs推出的SI8261光耦驱动芯片，采用LED的正向特性和反向特性来实现该互锁功能。由于SI8261本身的驱动芯片反向电压比较低，可以通过电路上串联一个D1或D2二极管，利用其反向特性来保证在芯片承受反压时芯片不会工作，从而实现互锁功能；另外SI8261输出4A峰值驱动电流，驱动侧供电压6.5V-30V,支持-40℃-125℃的宽工作温度范围，5KV隔离电压。 RS232/UART电路 STPM34双相电表评估板电路图 该板通过一个隔离RS232接口，或通过STEAL-IPE023V1隔离USB接口工具，可以与PC上运行评估软件连接，用于配置和数据读取。其他主要特性还有： - USB端口，用于连接到隔离硬件编程 - RS232和UART隔离端口，用于连接到PC GUI - SPI/UART开关，用于设备的外设选择 - 2个可编程板上LED - 数字扩展到外部系统级芯片或单片机 - IEC61000标准兼容 芯齐齐BOM表分析 为了获得高系统精度，需发挥STPM33芯片性能，并严格选择外部元件。例如，使电压和电流通道的信噪比最大化，选择最佳的电流电压转化率（Ks）和电压分压率等。 芯齐齐智能BOM工具显示，BOM表中的SI8261芯片是一款2.5kVrms超低功耗数字隔离器, 具有高数据速率，高电磁抗扰度，低传播延迟和低功耗, 外部BOM元件少等特点。SI8261无需启动初始化，额定工作电压下使用寿命达60年。 STPM33双电表BOM表 本方案中的电阻器全部采用±1%容差，TCR为100ppm/°C的精密电阻器，以实现系统精度。其中，R12,R13,R14,R15,R16,R21,R23,R24,R25,R26采用易于安装的miniMELF封装。

       2010年11月10日，国家电网公布了智能电网第二及第三批招标的中标结果。年内三批招标均针对一次设备，涉及变压器、互感器、组合电器等共八大类。 2010年智能电网第三批项目一次设备招标，国家电网第四批智能电表招标即将展开。谁会是国家电网第四批智能电表中标的黑马？