摘 要：電力用戶是我國電工儀器儀表最大的用戶群體，需求量占整個市場需求量的90%，對該類產品的銷售起著決定性作用，而電能表是我國電工儀表行業中產量最大的產品。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。?
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關鍵詞：電能表 系統設計 多功能 低功耗 計量芯片
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??? 電能表產品的一個重要特點是其定期更換特性，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，這就帶來了巨大的市場機會，所以對電能表設計的研究是各國主流半導體廠家在中國一個市場著重點。
??? 按原理劃分，電能表分為感應式和電子式兩大類：
??? 感應式電能表采用電磁感應的原理把電壓、電流、相位轉變為磁力矩，推動鋁制圓盤轉動，圓盤的軸（蝸桿）帶動齒輪驅動計度器的鼓輪轉動，轉動的過程即是時間量累積的過程。因此感應式電能表的好處就是直觀、動態連續、停電不丟數據。
??? 電子式電能表運用模擬或數字電路得到電壓和電流向量的乘積，然后通過模擬或數字電路實現電能計量功能。其優點是生產工藝相對簡單，準確度高，誤差曲線平直，性能穩定可靠，自身損耗低，而且功能容易擴展等。
??? 由于應用了數字技術，分時計費電能表、預付費電能表、多用戶電能表、多功能電能表紛紛登場，進一步滿足了科學用電、合理用電的需求。
??? 目前從設計上看，電子式電能表已經成為主流，占據了>70％的電能表生產量。而中國已經成為世界上最大的電子式電能表生產和消費國，每年的生產量在1.5億只以上，新安裝和更換量也達到7000～9000萬只。
電能計量領域對計量芯片提出的新要求?
????隨著技術和市場的發展，用戶對計量領域也提出了更多的新需求。
??? 1.提供出電能外所有電力系統相關參數，比如：電流、電壓、功率因數、有功功率、無功功率、視在功率、電壓相角等，這些參數對于電力系統的正常運行是非常重要的。
??? 2.提供諧波參數。這其實包含了兩個含義，第一是能夠將基波電能（功率）和諧波電能（功率）分開計量，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污染，產生的原因是整流器、UPS電源、電子調速裝備、軋鋼機等電力電子設備和電器設備的使用，對電網危害主要有：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、電網過熱等?；谄淇赡茉斐韶撁嬗绊?，各國紛紛出臺治理措施。這也是電力部門對諧波參數監測的初衷。
??? 3.降低功耗
??? 在電能計量領域功耗似乎不是非常被看重，但是在現實中卻是越來越重要。其必要性我們可以從下面兩個方面來探討
??? a)電能表是計量表后面的負載（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，每年的損耗也會達到0.001kW×50,000,000×24h×365d＝438,000,000kWh，這絕不是一個可以忽略的數目。
??? b)防竊電?
????i.防失（欠）壓竊電?
??? 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，由于其內部芯片的正常供電均來源于電壓線圈的電壓，如果出現失（欠）壓，就會造成系統停止工作，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能夠在這種情況下，系統要能夠在電池供電的條件下對電流超過門限的情況進行計時。這就要求不管是MCU還是計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，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，這時候會采用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，這是目前的系統比較難做到的。
MAXIM最新推出的多功能低功耗計量芯片MAXQ3180就是在這樣的大環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設計電能表?
??? 隨著技術的發展和電力部門管理現代化的要求，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的功能，而成為我們所謂的多功能電能表。
??? 一個典型的多功能電能表由下圖中的幾部分構成：
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??? 在這其中，MCU和計量芯片的選擇是關鍵。
??? 在新一代的電能表設計中，專用的計量芯片的使得所有有關電力參數的計算都唾手可得，從而將MCU解放出來專門進行管理功能，例如通訊、費率時段管理、存儲管理等。
如何降低系統功耗
??? 根據上面的電能表結構圖，我們需要對設計的每一個部分進行分析，找出降低系統功耗的關鍵。
MCU作為系統核心之一，對整個系統的電源管理負有重要的作用。由于專用計量芯片的使用，MCU可以只進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品，同時也可以運行于比較低的頻率，使得這部分的功耗可以降得比較低。
??? 通訊以及存儲部分正常情況下都不是一直工作的，而是在有需要的時候才偶爾工作一下，其他時刻都處于靜態低功耗狀態，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是非常低。
??? LCD顯示器和驅動器都是低功耗器件，不是系統功耗關注的重點。
??? 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它連續工作，所以它就成為了整個系統設計中功耗最難控制的一個部分。
??? 要降低計量部分的功耗，需要從以下四個方面入手：
??? 第一就是降低工作電壓。
??? 在早期的電能表設計中，5V電源系統是主流，所以計量芯片為了和MCU以及其他芯片能夠進行電源匹配而都不約而同得選擇了5V供電。隨著半導體技術的發展，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換反而成為系統低功耗設計的累贅。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功耗。
??? 第二是增加低功耗模式。
??? 在早期的電能表設計中，由于技術和理念的限制，使得計量芯片的低功耗模式根本沒有得到考慮，這和MCU設計中已經具有的多種電源管理模式格格不入。MAXQ3180的出現使得這這個狀況得到了根本性的轉變，它能夠在MCU的控制之下降低工作頻率，進入低功耗測量模式，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模式進行一些新特性的設計。
??? 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量芯片連續全速工作并不現實，這是由當前技術工藝水平所決定的，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。見下圖示例：
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??? 第四是在芯片內部動態地控制各部分的功耗。
??? 在芯片運行過程中并不是所有的部分都需要一直處于工作狀態，很多部分完全可以間歇性地工作。采用相應的控制技術使得暫時不使用的部分處于關斷狀態可以有效地降低系統平均功耗，當然，在需要工作的時候快速啟動也是非常重要的，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，取得了很好的節能效果。
??? 最后一個需要考慮的、也是非常重要的部分是電源。在目前的電能表實際中，從成本和電磁兼容的出發點考慮，大多選用了傳統變壓器加線性穩壓器，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，可以選用傳統變壓器加開關穩壓器的方案來提高電源效率。其負面影響是開關穩壓器可能會產生諧波，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，消除噪聲影響。
??? 當然，更徹底的方法是采用開關電源，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計。這是因為開關電源的高頻變壓器是高通濾波器（傳統變壓器是低通濾波器），對于電瞬變脈沖群（EFT）所導致傳導干擾沒有很好的抑制作用，這樣對系統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參數，而且這些參數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…
??? 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量監控尤其重要。
??? 這種測量是基于數字峰值濾波器的，在配置簡單地好濾波器包括-3dB帶寬和諧波中心頻率參數后，等待一定時間以使濾波器穩定，就可以得到需要的諧波參數。
??? 下圖顯示了實現諧波參數測量的信號流程：
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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。其中一個重要的應用就是在防失（欠）壓竊電方面。
??? 當發生失（欠）壓情況時，電能表內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。
傳統的要求是能夠在電流線圈內電流值大到一定的閾值開始進行計時，作為追補電量的依據。
??? 新的技術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。實際上的實現方式一般通過間歇工作來實現，這就要求計量芯片能夠在電池供電的情況下依然能夠工作。
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??? 由于傳統的計量芯片沒有電源管理模式，不能直接用于電池供電的場合。通常實現方法是采用MCU休眠喚醒，再將計量芯片的電源用MOSFET開關控制，然后間歇工作來實現的。
??? 由于普通的計量芯片沒有低功耗模式，在MCU用開關將其上電后必須進行長時間的包括晶體預熱和系統初始化才能開始工作，這樣使得每次測量的時間都拉得比較長，再加上工作時間的電流比較大，其結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累計變得輕而易舉。
????MAXQ3180可以使用和MCU同樣的電池供電方式，這樣減少了電平轉換和電源管理芯片的成本。它可以在不需要的時候處于休眠模式，僅消耗<1uA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設置均保留，所以在喚醒后不需要進行初始化就可以直接開始工作，從而大大減少了工作時間。
??? 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，將測量結果讀到MCU中存貯。
??? 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的方案大幅度降低。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，我們可以近似地認為這樣的累計是連續的。
??? MAXQ3180的其他重要特性還包括：
??? 零線電流監測，使得不法分子更難采用一些特殊手段進行竊電。
??? 低功耗也使得使用RC供電的防竊電方案成為可能。
??? 使用內部的數字溫度傳感器，可以用于對實時時鐘的補償以及對計量系統本身的溫度漂移進行補償。
結論
??? MAXQ3180系列計量芯片也在繼續發展中，比如其功能削減版MAXQ3181，去掉諧波以及無功等參數，滿足低端應用的需求。將來使用更新工藝生產的型號，可以將現有功耗再降低50％。通過修改DSP算法，向用戶提供更多的電力計量參數等等。
從綠色節約的角度入手，低功耗設計已經涉及到方方面面，包括我們以前所認為的對功耗并不在乎的應用，例如電能計量應用。
??? 技術的發展使得低功耗的電能表新功能成為可能，而現實的需求又反過來對技術的發展起了促進作用。
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參考文獻
1. MAXQ3180數據手冊。?