基于90E46的單相智能電表設計方案
智能電能表作為智能電網的重要組成部分，其技術標準也在不斷地發(fā)展之中，使得相應的芯片技術也在日益提高。以市場需求量最大的單相智能電能表為例，其技術發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
計量準確度要求越來越高，電流范圍越來越寬，從之前的5(20)A到現(xiàn)在的5(60)A，再到1(100)A，早期的計量芯片已無法滿足當前電能表設計的要求，高精度、寬量程的計量芯片被廣泛應用。
數(shù)據(jù)和事件處理要求越來越多，使得MCU的運算能力和程序容量不斷提高，傳統(tǒng)的8-bit MCU會逐漸被32-bit MCU所取代。
智能電能表作為智能電網的最終節(jié)點，其數(shù)據(jù)通信要求越來越強，對外的通信方式有RS485、PLC、紅外，并且要求各通信接口相互獨立并能同時運行；這要求用于電能表設計的MCU具有豐富的硬件通信接口。
IDT的90E46就是順應智能電能表的這種發(fā)展趨勢，在業(yè)界推出的第一款集成硬件高精度寬量程計量模塊，ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU內核，LCD驅動和帶溫度補償功能的高精度實時時鐘(RTC)于一體真正意義上的系統(tǒng)級芯片(SoC)。在計量動態(tài)范圍5000:1內，有功電能準確度優(yōu)于 0.1%，無功電能準確度優(yōu)于0.2%，且只需要單點校準；實時時鐘誤差小于±0.5秒/天。
90E46芯片與硬件設計
90E46芯片簡介
90E46是業(yè)界集成度最高的高精度寬量程單相電能計量SoC，在IDT既有的寬量程計量模擬前端(AFE)的基礎上，集成了ARM Cortex-M0微處理器、LCD驅動和帶溫度補償功能的高精度實時時鐘(RTC)，可以減少單相電能表的元器件數(shù)量，簡化設計和生產流程，降低材料成本和庫存管理難度。
90E46具有下列特性：
90E46的功能框圖如圖1所示：
圖1 90E46功能框圖
硬件設計
90E46采用了高集成度的芯片設計技術，外部只需要少量器件就可以實現(xiàn)最小系統(tǒng)功能。整個MCU小系統(tǒng)如圖2所示：
圖2 90E46 小系統(tǒng)電路
寬量程電能表的校準和軟件設計
測量/計量校準
采用90E46設計的單相電能表，只需要在Ib電流點進行單點校準，即可保證5000:1動態(tài)范圍內的計量準確度。對于1(100)A的電能表，可以在5A(或10A)電流下進行校表，同樣可以滿足整個電流范圍內的計量準確度。整個校表流程如圖3所示：
圖3 90E46 校表流程
溫度傳感器
90E46內部集成的溫度傳感器準確度為±1℃，基于該溫度傳感器，可對RTC和參考電壓進行溫度補償，達到更好的計量性能和RTC準確度。
芯片內部有專門的溫度傳感器ADC采樣模塊，該模塊可以設置成周期性自動執(zhí)行的方式，并且可以設定ADC采樣數(shù)據(jù)的上下限閥值和喚醒。這個功能使得低功耗狀態(tài)下的RTC溫度補償特別方便。MCU在進入低功耗狀態(tài)前，只要先設置好溫度自動采樣周期(如20s)和上下限閥值。進入低功耗狀態(tài)后，芯片會自動進行周期性溫度采樣，當ADC采樣值超出上下閥值的范圍時，會喚醒MCU，由MCU對RTC進行溫度補償修正。
實時時鐘(RTC)外置晶振的溫度補償
系統(tǒng)外接單一32768Hz晶體作為系統(tǒng)時鐘源，這也作為RTC的時鐘源。石英晶體振蕩器的振蕩頻率對外部溫度非常敏感，環(huán)境溫度的上升或者下降都會引起中心頻率的漂移，從而造成RTC計時的偏差。為了彌補這種誤差，系統(tǒng)需要實時監(jiān)測晶體周圍環(huán)境溫度，然后根據(jù)晶體的頻率溫度特性對32768Hz晶體的頻率進行動態(tài)的補償，以確保補償后的頻率在整個工作溫度范圍內穩(wěn)定不變。
實時時鐘（RTC）的整個補償過程包括：晶體周圍環(huán)境溫度的采集，和歷史溫度的比較，晶體誤差的計算，補償?shù)葞讉€過程。為了最大限度降低系統(tǒng)功耗，上述RTC溫度補償過程中的大部分環(huán)節(jié)都可以通過90E46內部相應的硬件電路來實現(xiàn)，不需要CPU的干預。完整的RTC溫度補償流程如圖4所示：
圖4 RTC溫度補償流程
小結
90E46將計量模擬前端(AFE)、微處理器(MCU)、實時時鐘(RTC)和LCD驅動集成到單一芯片中，是真正意義上的單相智能電能表SoC芯片。采用90E46設計的電能表，其外圍器件和電路都變得簡單明了。采用90E46可實現(xiàn)1(100)A的單相電能表設計，從而讓電能表生產廠家采用同一設計涵蓋不同量程的電能表需求，減少產品開發(fā)投入，降低元器件和庫存管理成本。
附錄：產品參數(shù)與測試數(shù)據(jù)
寬量程電能表產品參數(shù)
電能表的基本參數(shù)為：
參比電壓：AC 220V
電流規(guī)格：1(100) A
參比頻率：50Hz
儀表常數(shù)：3200imp/kWh, 3200imp/kvarh
計量動態(tài)范圍測試結果
經過測試，在20mA~100A的電流范圍內，整表的有功電能計量誤差優(yōu)于±0.2%，無功電能計量誤差優(yōu)于±0.4%，可完全滿足1級表的設計要求。圖5和圖6分別是在PF是1.0和0.5L的情況下有功電能的計量誤差：
圖5 PF=1.0時有功電能計量誤差測試數(shù)據(jù)
圖6 PF=0.5L時有功電能計量誤差測試數(shù)據(jù)
實時時鐘測試結果
經測試，電能表的實時時鐘在常溫下的準確度小于±5ppm，誤差小于±0.5秒/天。在-40℃~85℃的溫度范圍內，時鐘誤差小于±10ppm。圖7是在 -40℃~85℃溫度范圍內的實時時鐘準確度測試結果：
圖7 RTC 1Hz 輸出在-40℃~85℃溫度范圍內測試結果
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摘要：IDT 推出全球最先進單相電能計量SOC：單相電能表SoC IDT90E46 是一款基于IDT 成熟的電能計量技術（AFE）和ARM 高效低功耗32 位 Cortex M0 MCU，配備128kB Flash，6kB RAM，同時集成了單相智能電能表必須的帶溫度補償功能的高精度RTC，帶高精度內置參考電壓源的12 位A/D等常用外設于一身的系統(tǒng)級芯片，它可以大大減少單相智能電能表的元器件數(shù)量和整體布版面積，簡化單相智能電能表的設計和生產。
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