為何電子式電能表需要使用鐵電存儲器(F-RAM)

　　自從1889年匈牙利工程師 Otto Blathy 發(fā)明全世界第一個電能表 (瓦特瓦時表)原型之后，電能表經(jīng)過一個世紀多的演進：由機械式電表到今日的各種不同型式的電子電能表，包含新的預付費電能表 (pre-paid) 復費率電能表 以及具有雙向通訊能力的電子式電能表等，其提供的擴展功能包括：自動讀表(AMR)、線上查詢、遠程連接/斷開，以及復雜的計費結構等等。這些電能表還可讓使用者對其耗電量有更好的控制，以便節(jié)省電費及更有效地分配用電量。

　　如圖1所示，電子電能表的基本架構包括下列各主要功能模塊：電壓電流取樣電路;16位以上分辨率的ADC;計量與控制單元;通信接口;操作界面;顯示器;存儲器。本文將以存儲器為重點說明為何電子式電能表需要使用鐵電存儲器(F-RAM)。

　　鐵電存儲器的技術特點

　　首先要說明的是鐵電存儲器和浮動柵存儲器的技術差異?，F(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動柵技術，浮動柵存儲單元包含一個電隔離門，浮動柵位于標準控制柵的下面及通道層的上面。浮動柵是由一個導電材料，通常是多芯片硅層形成的 (如圖2所示)。浮動柵存儲單元的信息存儲是通過保存浮動柵內(nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動柵存儲單元的電壓就能達到電荷添加或擦除的動作，從而確定存儲單元是在 ”1”或“0” 的狀態(tài)。但是浮動柵技術需使用電荷泵來產(chǎn)生高電壓，迫使電流通過柵氧化層而達到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦寫延遲。高寫入功率和長期的寫操作會破壞浮動柵存儲單元，從而造成有限的擦寫存儲次數(shù)(例如：閃存約十萬次，而EEPROM則約1百萬次)。

　　鐵電存儲器是一種特殊工藝的非易失性的存儲器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲器結晶體，如圖3所示。當一個電場被施加到鐵晶體管時，中心原子順著電場停在低能量狀態(tài)I位置，反之，當電場反轉被施加到同一鐵晶體管時，中心原子順著電場的方向在晶體里移動并停在另一低能量狀態(tài)II。大量中心原子在晶體單胞中移動耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場下反轉所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場下無反轉所形成的極化電荷較低，這種鐵電材料的二元穩(wěn)定狀態(tài)使得鐵電可以作為存儲器。

　　圖1、電子電能表的基本電路方塊圖。

　　圖2、浮動柵存儲單元

　　圖3、鐵電存儲器結晶單元。[!--empirenews.page--]

　　特別是當移去電場后，中心原子處于低能量狀態(tài)保持不動，存儲器的狀態(tài)也得以保存不會消失，因此可利用鐵電疇在電場下反轉形成高極化電荷，或無反轉形成低極化電荷來判別存儲單元是在 ”1”或 “0” 狀態(tài)。鐵電疇的反轉不需要高電場，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲單元是在 ”1”或 “0” 的狀態(tài);也不需要電荷泵來產(chǎn)生高電壓數(shù)據(jù)擦除，因而沒有擦寫延遲的現(xiàn)象。這種特性使鐵電存儲器在掉電后仍能夠繼續(xù)保存數(shù)據(jù)，寫入速度快且具有無限次寫入壽命，不容易寫壞。所以，與閃存和EEPROM 等較早期的非易失性內(nèi)存技術比較，鐵電存儲器具有更高的寫入速度和更長的讀寫壽命。

　　應用范例

　　下面以0.2級三相電能表為例來說明為何電子電能表需要使用F-RAM存儲器。首先要說明電能表0.2級的定義，所謂0.2級是指測量精度每千瓦小時 (KWH) 需小于0.2% 的誤差，相對來說如果是0.5級則是指指測量精度每千瓦小時 (KWH)需小于0.5% 的誤差。其次要說明國家電網(wǎng)對0.2級三相電能表的用電數(shù)據(jù)存儲規(guī)范。如下列范例所示，其存儲內(nèi)容分為“用電數(shù)據(jù)及事件記錄”兩部份：

　　1. 用電數(shù)據(jù)存儲:

　　* 數(shù)據(jù)保存: 存儲器需保存包括12個月的總電能和各費率的電能數(shù)據(jù), 包括有功、無功功率;有功、無功總電能;四象限無功總電能以及正反向有功、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2、等等共16個項目，每一項目需4字節(jié)，12個月共( 4字節(jié)x 16項 x 12月= 768字節(jié))。

　　* 負荷記錄存儲: 存儲器空間應保證在記錄正反向有、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2、等等共6個項目，每一項目需4字節(jié)，時間間隔為1分鐘的情況下、可記錄不少于30 天的數(shù)據(jù)容量，最長時間間隔為1分鐘， 以60分鐘間隔來計算其數(shù)據(jù)量為 ( 4字節(jié)x 6項 x 24小時x 30天 = 17,280 字節(jié))。

　　2. 事件記錄存儲: 內(nèi)容則包括最近10 次編程時間;需量清零時間;校時事件;A、B、C相失壓起始及恢復時間;A、B、C 相斷相起始及恢復時間;電流不平衡起始及恢復時間和事件期間的各項電能增量共6大項801字節(jié)。

　　不包含負荷記錄，上述數(shù)據(jù)量相加起來最低存儲器需求就有1,569 字節(jié) (12.51千位)，若再加上第三點的負荷記錄存儲緩沖，其數(shù)據(jù)量則高達18,849 字節(jié) (150.79千位)。

　　以存儲速度來作比較：I2C的EEPROM 寫1,569 字節(jié)需要 0.91秒，寫18,849 字節(jié)需花費11.07秒;但是I2C的鐵電(FRAM)存儲器，寫1,569 字節(jié)僅需要 45毫秒，寫18,849 字節(jié)僅需花費0.55秒。事實上當Vdd在0.01秒的時間下降0.23V (使用1000?f 130?內(nèi)阻的電容) 的放電率條件下，鐵電存儲器能寫50,000次，而EEPROM僅能寫一次。因為浮動柵存儲器的擦寫延遲在大量數(shù)據(jù)存儲時有可能導致數(shù)據(jù)丟失，所以浮動柵存儲器并不適用于高容量的電能表。

　　根據(jù)統(tǒng)計，中國的民用電一般約每戶每月200度左右，而工業(yè)用電每戶每月約高達2萬度左右，以每0.01度存儲一次用電數(shù)據(jù)來計算，則存儲器每月的擦寫次數(shù)會高達200萬次，加上電能表的使用壽命為5-7年(各省分不同)，因此浮動柵存儲器的擦寫壽命根本不敷使用，因為浮動柵存儲器的擦寫延遲因素更不可能采用大容量浮動柵存儲器來做移位儲存。

　　從數(shù)據(jù)保存的本質(zhì)安全角度及寫入時間來看，浮動柵存儲器并不適用于三相電能表，因為在如此大量的數(shù)據(jù)存儲情況下，浮動柵存儲器的擦寫延遲有可能導致數(shù)據(jù)丟失。例如，用電量大或者遇到瞬間停電時會有來不及寫入，導致數(shù)據(jù)丟失的可能性。

　　當然工程師們可以利用SRAM作為數(shù)據(jù)緩沖暫時存儲用電數(shù)據(jù)，但是這樣就需要備份電池給SRAM供電，以防止斷電時數(shù)據(jù)丟失，此外，還會增加電能表本身的功耗與成本。所以具有非易失性、無延遲快速寫入、無限的讀寫壽命和超低的寫入功耗特性的鐵電存儲器，就成為了電能表的最佳存儲器選擇。

　　中國國家電網(wǎng)對0.2級三相電能表的用電數(shù)據(jù)存儲內(nèi)容要求如下：

　　數(shù)據(jù)存儲內(nèi)容:

　　1、 至少能存儲前12個月或前12個(結算)抄表周期的總電能和各費率的電能數(shù)據(jù), (負荷記錄: 有功、無功的電壓、電流、頻率;有功、無功功率;功率因子;有功、無功總電能;四象限無功總電能。

　　( 4字節(jié)x 16 x 12月= 768 字節(jié)) 。

　　2、 負荷記錄間隔時間可以在1～60 分鐘之間任意設置。

　　3、 負荷記錄存儲空間應保證在記錄正反向有功、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2，時間間隔為1分鐘的情況下可記錄不少于30 天的數(shù)據(jù)容量 (這個數(shù)據(jù)通常會移至閃存)。

　　在1分鐘間隔時: ( 4字節(jié)x 6 x 60分鐘x 24小時x30天 = 1,036,800 字節(jié))

　　在60分鐘間隔時: ( 4字節(jié)x 6 x 24小時x30天 = 17,280字節(jié))[!--empirenews.page--]

　　事件記錄存儲內(nèi)容：

　　1、 最近10 次編程時間及編程對應的數(shù)據(jù)標識。

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒 = 6字節(jié) x 10次+ 40字節(jié)數(shù)據(jù)= 100字節(jié))

　　2、 最近10 次的需量清零時間及清零前的最大需量值。

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6字節(jié) x 10次+ 40字節(jié)數(shù)據(jù)= 100字節(jié))

　　3、 最近10次校時事件，校時前后時間。

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6字節(jié) x 20次(前+后) + 1字節(jié)事件= 121字節(jié))

　　4、 最近10 次A、B、C 相失壓起始、恢復時間及其期間的電能增量。

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6 字節(jié) x 20 + 40 字節(jié)增量= 160字節(jié))

　　5、 最近10 次A、B、C 相斷相起始、恢復時間及期間的電能增量

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6字節(jié) x 20 + 40字節(jié)增量= 160字節(jié))

　　6、 最近10 次電流不平衡起始、恢復時間及其期間的電能增量

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6字節(jié)x 20 + 40字節(jié)增量= 160字節(jié))

　　總存儲數(shù)據(jù)在條件 (1+4+5+6+7+8+9)= 1,569 bytes (12.51Kb)

　　總存儲數(shù)據(jù)在條件 (1+3+4+5+6+7+8+9)= 18,849 bytes (150.79Kb)

　　本文小結

　　鐵電存儲器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM的技術一樣，是一種非易失性的存儲器，適合用于需要較以往更高的數(shù)據(jù)收集速率及壽命的電能表或先進計量產(chǎn)品。由于鐵電存儲器具有高速的寫入速度和無限的讀寫壽命，加上其非易失性及低功耗的特點，所以電子電能表需要使用鐵電存儲器作為數(shù)據(jù)存儲。