??? 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。
??? 關鍵詞： 電能表；多功能；低功耗；計量芯片
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?????????????????????????????????????? 電能表的發展和新要求
??? 電能表產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，由于數字技術的應用，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，電子式電能表已經成為主流，占據了超過70％的電能表生產量。而中國已經成為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7 000～9 000萬只。
??? 隨著技術和市場的發展，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相關參數，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。電力諧波會產生對電網的污染，其原因是整流器、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的監測。
??? (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的總裝表容量（約5億臺），每年的損耗是一個不可忽略的數目。
?? ?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，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在這種情況下，系統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，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，這是目前的系統難以做到的。
?? ?基于以上情況，Maxim研發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中的幾部分構成。
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??? 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，專用計量芯片更便于所有相關電力參數的計算，所以將MCU分離出來專門實現管理功能，例如通訊、費率時段管理、存儲管理等。
???????????????????????????????? 降低系統功耗的分析和方案
??? 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其連續工作，所以它就成為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斷狀態，這樣可以有效地降低系統平均功耗。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，從而消除噪聲的影響。
??? 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。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）所導致的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。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量監控尤其重要。這種參數的測量是基于數字峰值濾波器的，圖3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，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。傳統的要求是能夠在電流線圈內電流值大到一定閾值時開始計時，作為追補電量的依據，圖4為傳統模式下全失壓累計模式示意圖。
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????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。實際中一般通過間歇工作來實現，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開關控制，利用間歇工作模式來實現。
?? ?又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的。
?? ?MAXQ3180的其他重要特性還包括：
?? ?零線電流監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；使用內部的數字溫度傳感器，可對實時時鐘和計量系統本身的溫度漂移進行補償。
???????????????????????????????????????????結論
??? MAXQ3180系列計量芯片仍在持續發展中，例如其功能削減版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，可向用戶提供更多的電力計量參數等等。
??? 從綠色節約的角度考慮，低功耗設計已經涉及到方方面面，包括以前認為對功耗并不在乎的應用，例如電能計量應用。技術的發展使得低功耗的電能表提供更多新功能成為可能，而現實的需求又對技術的發展起到促進作用。