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(gè)市場需求量的90%,,對該類產(chǎn)品的銷售起著決定性作用,,而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(shè)計(jì)需求以及Maxim提供的MAXQ3180低功耗電表設(shè)計(jì)方案,。?
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關(guān)鍵詞:電能表 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 多功能 低功耗 計(jì)量芯片
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??? 電能表產(chǎn)品的一個(gè)重要特點(diǎn)是其定期更換特性,,正常情況下電能表的更換周期是十年,但是隨著國家對電網(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,,這就帶來了巨大的市場機(jī)會(huì),所以對電能表設(shè)計(jì)的研究是各國主流半導(dǎo)體廠家在中國一個(gè)市場著重點(diǎn),。
??? 按原理劃分,,電能表分為感應(yīng)式和電子式兩大類:
??? 感應(yīng)式電能表采用電磁感應(yīng)的原理把電壓,、電流,、相位轉(zhuǎn)變?yōu)榇帕兀苿?dòng)鋁制圓盤轉(zhuǎn)動(dòng),,圓盤的軸(蝸桿)帶動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)計(jì)度器的鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng),,轉(zhuǎn)動(dòng)的過程即是時(shí)間量累積的過程。因此感應(yīng)式電能表的好處就是直觀,、動(dòng)態(tài)連續(xù),、停電不丟數(shù)據(jù)。
??? 電子式電能表運(yùn)用模擬或數(shù)字電路得到電壓和電流向量的乘積,,然后通過模擬或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量功能,。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝相對簡單,準(zhǔn)確度高,,誤差曲線平直,,性能穩(wěn)定可靠,自身損耗低,,而且功能容易擴(kuò)展等,。
??? 由于應(yīng)用了數(shù)字技術(shù),分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表,、預(yù)付費(fèi)電能表,、多用戶電能表、多功能電能表紛紛登場,,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>70%的電能表生產(chǎn)量,。而中國已經(jīng)成為世界上最大的電子式電能表生產(chǎn)和消費(fèi)國,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7000~9000萬只,。
電能計(jì)量領(lǐng)域?qū)?/FONT>計(jì)量芯片提出的新要求?
????隨著技術(shù)和市場的發(fā)展,用戶對計(jì)量領(lǐng)域也提出了更多的新需求,。
??? 1.提供出電能外所有電力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù),,比如: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(yùn)行是非常重要的,。
??? 2.提供諧波參數(shù),。這其實(shí)包含了兩個(gè)含義,第一是能夠?qū)⒒娔埽üβ剩┖椭C波電能(功率)分開計(jì)量,,第二是能夠提供分相電流電壓的各次諧波均方根值,。
??? 電力諧波是一種對電網(wǎng)污染,產(chǎn)生的原因是整流器,、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,,對電網(wǎng)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)過熱等?;谄淇赡茉斐韶?fù)面影響,,各國紛紛出臺治理措施。這也是電力部門對諧波參數(shù)監(jiān)測的初衷,。
??? 3.降低功耗
??? 在電能計(jì)量領(lǐng)域功耗似乎不是非常被看重,,但是在現(xiàn)實(shí)中卻是越來越重要。其必要性我們可以從下面兩個(gè)方面來探討
??? a)電能表是計(jì)量表后面的負(fù)載(也就是用戶的用電量)情況,所以電能表本身的功耗是由電力部門自身承擔(dān)的,,一般來說,,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,,但是考慮到全國范圍內(nèi)的總裝表容量(約5億臺),,即使以每只表1W的功率來算,每年的損耗也會(huì)達(dá)到0.001kW×50,000,000×24h×365d=438,000,000kWh,,這絕不是一個(gè)可以忽略的數(shù)目,。
??? b)防竊電?
????i.防失(欠)壓竊電?
??? 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的電壓,如果出現(xiàn)失(欠)壓,,就會(huì)造成系統(tǒng)停止工作,,從而完全不能對電能進(jìn)行計(jì)量。?
??? 電力部門目前提出的要求是能夠在這種情況下,,系統(tǒng)要能夠在電池供電的條件下對電流超過門限的情況進(jìn)行計(jì)時(shí),。這就要求不管是MCU還是計(jì)量芯片都要有低功耗模式。?
????ii.防磁飽和式竊電
??? 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(shí)候會(huì)采用RC供電的方式來對付,。而RC供電對功耗的限制非常大,,整體的功耗必須控制在20mA以下,這是目前的系統(tǒng)比較難做到的,。
MAXIM最新推出的多功能低功耗計(jì)量芯片MAXQ3180就是在這樣的大環(huán)境下走上了歷史舞臺,,用以滿足電力部門不斷提出的新的要求。
用MAXQ3180設(shè)計(jì)電能表?
??? 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(jì)量功能外的更多的功能,,而成為我們所謂的多功能電能表。
??? 一個(gè)典型的多功能電能表由下圖中的幾部分構(gòu)成:
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??? 在這其中,,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,專用的計(jì)量芯片的使得所有有關(guān)電力參數(shù)的計(jì)算都唾手可得,,從而將MCU解放出來專門進(jìn)行管理功能,,例如通訊、費(fèi)率時(shí)段管理,、存儲(chǔ)管理等,。
如何降低系統(tǒng)功耗
??? 根據(jù)上面的電能表結(jié)構(gòu)圖,,我們需要對設(shè)計(jì)的每一個(gè)部分進(jìn)行分析,找出降低系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵,。
MCU作為系統(tǒng)核心之一,,對整個(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可以只進(jìn)行一些簡單的管理性工作,,其MIPS性能要求可以降得很低,這樣就可以選用一些非常低功耗的產(chǎn)品,,同時(shí)也可以運(yùn)行于比較低的頻率,,使得這部分的功耗可以降得比較低。
??? 通訊以及存儲(chǔ)部分正常情況下都不是一直工作的,,而是在有需要的時(shí)候才偶爾工作一下,,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)就保證了功耗也是非常低,。
??? 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)對功率積分的過程,,計(jì)量芯片從其原理上就要求它連續(xù)工作,,所以它就成為了整個(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,,需要從以下四個(gè)方面入手:
??? 第一就是降低工作電壓,。
??? 在早期的電能表設(shè)計(jì)中,5V電源系統(tǒng)是主流,,所以計(jì)量芯片為了和MCU以及其他芯片能夠進(jìn)行電源匹配而都不約而同得選擇了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)的累贅,。MAXQ3180采用3.3V供電,使得可以很好地和主流3.3V供電MCU接口,,從而有效地降低了系統(tǒng)功耗,。
??? 第二是增加低功耗模式。
??? 在早期的電能表設(shè)計(jì)中,,由于技術(shù)和理念的限制,,使得計(jì)量芯片的低功耗模式根本沒有得到考慮,這和MCU設(shè)計(jì)中已經(jīng)具有的多種電源管理模式格格不入。MAXQ3180的出現(xiàn)使得這這個(gè)狀況得到了根本性的轉(zhuǎn)變,,它能夠在MCU的控制之下降低工作頻率,,進(jìn)入低功耗測量模式,其功耗可以低到正常工作模式的25%~30%而保持功能基本不變,,這樣就使得可以利用這個(gè)模式進(jìn)行一些新特性的設(shè)計(jì),。
??? 第三是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也不能例外。但是使用間歇工作模式來模擬是一個(gè)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,。見下圖示例:
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??? 第四是在芯片內(nèi)部動(dòng)態(tài)地控制各部分的功耗,。
??? 在芯片運(yùn)行過程中并不是所有的部分都需要一直處于工作狀態(tài),很多部分完全可以間歇性地工作,。采用相應(yīng)的控制技術(shù)使得暫時(shí)不使用的部分處于關(guān)斷狀態(tài)可以有效地降低系統(tǒng)平均功耗,,當(dāng)然,,在需要工作的時(shí)候快速啟動(dòng)也是非常重要的,,這需要在芯片設(shè)計(jì)過程中很好地分配時(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,。
??? 最后一個(gè)需要考慮的,、也是非常重要的部分是電源。在目前的電能表實(shí)際中,,從成本和電磁兼容的出發(fā)點(diǎn)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)變壓器加開關(guān)穩(wěn)壓器的方案來提高電源效率。其負(fù)面影響是開關(guān)穩(wěn)壓器可能會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)非常注意,同時(shí)要對給計(jì)量芯片供電的模擬電源和地線進(jìn)行相應(yīng)的濾波,消除噪聲影響,。
??? 當(dāng)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,。需要注意的地方除了上面所述外,,還包括電磁兼容方面的設(shè)計(jì)。這是因?yàn)殚_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(dǎo)致傳導(dǎo)干擾沒有很好的抑制作用,,這樣對系統(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,,幾乎不需要任何處理就可以直接使用。
??? 這些參數(shù)包括:
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分相與合相的有功/無功/視在功率,、RMS電壓,、RMS電流
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電壓相角和交流電頻率
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零相電流測量
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可編程啟動(dòng)電流門限
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用戶可編程門限的線電壓欠壓、過壓檢測
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功率因數(shù)…
??? 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)對于電力質(zhì)量監(jiān)控尤其重要。
??? 這種測量是基于數(shù)字峰值濾波器的,,在配置簡單地好濾波器包括-3dB帶寬和諧波中心頻率參數(shù)后,,等待一定時(shí)間以使濾波器穩(wěn)定,就可以得到需要的諧波參數(shù),。
??? 下圖顯示了實(shí)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,,使得它可以在防竊電方面大展拳腳。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下工作,。
傳統(tǒng)的要求是能夠在電流線圈內(nèi)電流值大到一定的閾值開始進(jìn)行計(jì)時(shí),,作為追補(bǔ)電量的依據(jù)。
??? 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)來作為向用戶追補(bǔ)電量的依據(jù),。實(shí)際上的實(shí)現(xiàn)方式一般通過間歇工作來實(shí)現(xiàn),這就要求計(jì)量芯片能夠在電池供電的情況下依然能夠工作,。
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??? 由于傳統(tǒng)的計(jì)量芯片沒有電源管理模式,,不能直接用于電池供電的場合。通常實(shí)現(xiàn)方法是采用MCU休眠喚醒,,再將計(jì)量芯片的電源用MOSFET開關(guān)控制,,然后間歇工作來實(shí)現(xiàn)的,。
??? 由于普通的計(jì)量芯片沒有低功耗模式,在MCU用開關(guān)將其上電后必須進(jìn)行長時(shí)間的包括晶體預(yù)熱和系統(tǒng)初始化才能開始工作,,這樣使得每次測量的時(shí)間都拉得比較長,,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,,對電池的消耗比較大,。?
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????由于MAXQ3180具有低功耗模式和休眠模式,使得這種全失壓情況下的安培小時(shí)累計(jì)變得輕而易舉,。
????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。它可以在不需要的時(shí)候處于休眠模式,,僅消耗<1uA的電流,。而在需要時(shí)由MCU通過片選瞬間喚醒,進(jìn)入低功耗測量模式運(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)行初始化就可以直接開始工作,從而大大減少了工作時(shí)間,。
??? 而且低功耗測量模式下可以不需要MCU參與,,MCU可以再次進(jìn)入休眠,直到MAXQ3180使用中斷或者使用MCU自身資源再次喚醒,,將測量結(jié)果讀到MCU中存貯,。
??? 在整個(gè)操作過程中,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于傳統(tǒng)的方案大幅度降低。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,,我們可以近似地認(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,使得不法分子更難采用一些特殊手段進(jìn)行竊電,。
??? 低功耗也使得使用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,可以用于對實(shí)時(shí)時(shí)鐘的補(bǔ)償以及對計(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)量芯片也在繼續(xù)發(fā)展中,,比如其功能削減版MAXQ3181,去掉諧波以及無功等參數(shù),,滿足低端應(yīng)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,,向用戶提供更多的電力計(jì)量參數(shù)等等。
從綠色節(jié)約的角度入手,,低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)涉及到方方面面,,包括我們以前所認(rèn)為的對功耗并不在乎的應(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新功能成為可能,,而現(xiàn)實(shí)的需求又反過來對技術(shù)的發(fā)展起了促進(jìn)作用。
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參考文獻(xiàn)
1. MAXQ3180數(shù)據(jù)手冊,。?