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(jì)多的演進(jìn)：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(yù)付費電能表 (pre-paid) 復(fù)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(kuò)展功能包括：自動讀表(AMR)、線上查詢、遠(yuǎn)程連接/斷開，以及復(fù)雜的計費結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)特點
首先要說明的是鐵電存儲器和浮動?xùn)糯鎯ζ鞯募夹g(shù)差異?，F(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動?xùn)偶夹g(shù)，浮動?xùn)糯鎯卧粋€電隔離門，浮動?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制柵的下面及通道層的上面。浮動?xùn)攀怯梢粋€導(dǎo)電材料，通常是多芯片硅層形成的 (如圖2所示)。浮動?xùn)糯鎯卧男畔⒋鎯κ峭ㄟ^保存浮動?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動?xùn)糯鎯卧碾妷壕湍苓_(dá)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?xùn)偶夹g(shù)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(dá)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?xùn)糯鎯卧?，從而造成有限的擦寫存儲次?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(jié)晶體，如圖3所示。當(dāng)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(dāng)電場反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場下無反轉(zhuǎn)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?xùn)糯鎯卧?/span>
圖3、鐵電存儲器結(jié)晶單元。[!--empirenews.page--]
特別是當(dāng)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(zhuǎn)形成高極化電荷，或無反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(yīng)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(fù)荷記錄存儲: 存儲器空間應(yīng)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(fù)時間;A、B、C 相斷相起始及恢復(fù)時間;電流不平衡起始及恢復(fù)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(fù)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(fù)荷記錄存儲緩沖，其數(shù)據(jù)量則高達(dá)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(dāng)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?xùn)糯鎯ζ鞯牟翆懷舆t在大量數(shù)據(jù)存儲時有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，所以浮動?xùn)糯鎯ζ鞑⒉贿m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(dá)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(dá)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?xùn)糯鎯ζ鞯牟翆憠勖静环笫褂?，因為浮動?xùn)糯鎯ζ鞯牟翆懷舆t因素更不可能采用大容量浮動?xùn)糯鎯ζ鱽碜鲆莆粌Υ妗?/span>
從數(shù)據(jù)保存的本質(zhì)安全角度及寫入時間來看，浮動?xùn)糯鎯ζ鞑⒉贿m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?xùn)糯鎯ζ鞯牟翆懷舆t有可能導(dǎo)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(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的可能性。
當(dāng)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(jié)算)抄表周期的總電能和各費率的電能數(shù)據(jù), (負(fù)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(fù)荷記錄間隔時間可以在1～60 分鐘之間任意設(shè)置。
3、 負(fù)荷記錄存儲空間應(yīng)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(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)
鐵電存儲器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM的技術(shù)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(jìn)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。
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