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    基于IDT 90E46 SoC的单相智能电能表设计方案



    IDT







    引言

    智能电能表作为智能电网的重要组成部分,其技术标准也在不断地发展之中,使得相应的芯片技术也在日益提高。

    以市场需求量最大的单相智能电能表为例,其技术发展主要表现在以下几个方面:

    计量准确度要求越来越高,电流范围越来越宽,从之前的5(20)A到现在的5(60)A,再到1(100)A,早期的计量芯片已无法满足当前电能表设计的要求,高精度、宽量程的计量芯片被广泛应用。

    数据和事件处理要求越来越多,使得MCU的运算能力和程序容量不断提高,传统的8-bit MCU会逐渐被32-bit MCU所取代。

    智能电能表作为智能电网的最终节点,其数据通信要求越来越强,对外的通信方式有RS485、PLC、红外,并且要求各通信接口相互独立并能同时运行;这要求用于电能表设计的MCU具有丰富的硬件通信接口。

    IDT的90E46就是顺应智能电能表的这种发展趋势,在业界推出的第一款集成硬件高精度宽量程计量模块,ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU内核,LCD驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟(RTC)于一体真正意义上的系统级芯片(SoC)。在计量动态范围5000:1内,有功电能准确度优于 0.1%,无功电能准确度优于0.2%,且只需要单点校准;实时时钟误差小于±0.5秒/天。

    90E46芯片与硬件设计

    90E46芯片简介

    90E46是业界集成度最高的高精度宽量程单相电能计量SoC,在IDT既有的宽量程计量模拟前端(AFE)的基础上,集成了ARM Cortex-M0微处理器、LCD驱动和带温度补偿功能的高精度实时时钟(RTC),可以减少单相电能表的元器件数量,简化设计和生产流程,降低材料成本和库存管理难度。

    90E46具有下列特性:

    32位 ARM Cortex M0 内核,6KB RAM, 128KB Flash;

    4路独立UART,UART0支持红外调制(IR),UART3支持硬件ISO7816协议;

    集成硬件看门狗(WDT),支持中断功能;

    2路25位通用PWM;

    1路14位低功耗PWM,用于红外唤醒;

    2路16位定时器;

    最多45个GPIOs,23个支持5V输入;

    4个外部中断输入,可用于系统唤醒;

    2路12位GPADC,集成高精度参考电压源和阈值比较电路;

    1路低功耗电压比较器,用于芯片掉电检测;

    芯片支持运行模式、睡眠模式、待机模式和LCD显示模式;

    内置PLL电路,外部只需32.768kHz晶体即可工作;

    符合IEC和ANSIC标准要求;可用于单相1级、2级有功电能表和2级无功电能表;

    在计量动态范围5000:1内有功电能准确度优于 0.1%,无功电能准确度优于0.2%;

    片内参考电压源的温度系数典型值 6 ppm/ ℃;

    电参数测量:电压/电流有效值、平均功率、频率、功率因数和相角的引用误差低于0.5%;

    在整个动态范围内只需要单点校准,可用于50Hz 和 60Hz电网;

    片内温度传感器在-40 ℃~ +85 ℃范围内准确度±1 ℃;

    片内硬件RTC带频率补偿功能。补偿范围:-3900ppm 到3900ppm,补偿精度±0.12ppm;

    内置4Com×34Seg / 6Com×32Seg / 8Com×30Seg LCD驱动器,含偏置电压生成电路;

    工作温度:-40℃~+85℃;

    TQFP100 绿色封装。

    90E46的功能框图如图1所示:


    图1  90E46功能框图

    硬件设计

    90E46采用了高集成度的芯片设计技术,外部只需要少量器件就可以实现最小系统功能。

    整个MCU小系统如图2所示:


    图2  90E46 小系统电路

    宽量程电能表的校准和软件设计

    测量/计量校准

    采用90E46设计的单相电能表,只需要在Ib电流点进行单点校准,即可保证5000:1动态范围内的计量准确度。对于1(100)A的电能表,可以在5A(或10A)电流下进行校表,同样可以满足整个电流范围内的计量准确度。

    整个校表流程如图3所示:


    图3  90E46 校表流程

    温度传感器

    90E46内部集成的温度传感器准确度为±1℃,基于该温度传感器,可对RTC和参考电压进行温度补偿,达到更好的计量性能和RTC准确度。

    芯片内部有专门的温度传感器ADC采样模块,该模块可以设置成周期性自动执行的方式,并且可以设定ADC采样数据的上下限阀值和唤醒。这个功能使得低功耗状态下的RTC温度补偿特别方便。MCU在进入低功耗状态前,只要先设置好温度自动采样周期(如20s)和上下限阀值。进入低功耗状态后,芯片会自动进行周期性温度采样,当ADC采样值超出上下阀值的范围时,会唤醒MCU,由MCU对RTC进行温度补偿修正。

    实时时钟(RTC)外置晶振的温度补偿

    系统外接单一32768Hz晶体作为系统时钟源,这也作为RTC的时钟源。

    石英晶体振荡器的振荡频率对外部温度非常敏感,环境温度的上升或者下降都会引起中心频率的漂移,从而造成RTC计时的偏差。为了弥补这种误差,系统需要实时监测晶体周围环境温度,然后根据晶体的频率温度特性对32768Hz晶体的频率进行动态的补偿,以确保补偿后的频率在整个工作温度范围内稳定不变。

    实时时钟(RTC)的整个补偿过程包括:晶体周围环境温度的采集,和历史温度的比较,晶体误差的计算,补偿等几个过程。为了最大限度降低系统功耗,上述RTC温度补偿过程中的大部分环节都可以通过90E46内部相应的硬件电路来实现,不需要CPU的干预。

    完整的RTC温度补偿流程如图4所示:



    图4  RTC温度补偿流程

    小结

    90E46将计量模拟前端(AFE)、微处理器(MCU)、实时时钟(RTC)和LCD驱动集成到单一芯片中,是真正意义上的单相智能电能表SoC芯片。采用90E46设计的电能表,其外围器件和电路都变得简单明了。采用90E46可实现1(100)A的单相电能表设计,从而让电能表生产厂家采用同一设计涵盖不同量程的电能表需求,减少产品开发投入,降低元器件和库存管理成本。




    附录:产品参数与测试数据

    宽量程电能表产品参数

    电能表的基本参数为:

    参比电压:AC 220V

    电流规格:1(100) A

    参比频率:50Hz

    仪表常数:3200imp/kWh, 3200imp/kvarh

    计量动态范围测试结果

    经过测试,在20mA~100A的电流范围内,整表的有功电能计量误差优于±0.2%,无功电能计量误差优于±0.4%,可完全满足1级表的设计要求。图5和图6分别是在PF是1.0和0.5L的情况下有功电能的计量误差:

    图5  PF=1.0时有功电能计量误差测试数据


    图6  PF=0.5L时有功电能计量误差测试数据

    实时时钟测试结果

    经测试,电能表的实时时钟在常温下的准确度小于±5ppm,误差小于±0.5秒/天。在-40℃~85℃的温度范围内,时钟误差小于±10ppm。图7是在 -40℃~85℃温度范围内的实时时钟准确度测试结果:



    图7  RTC 1Hz 输出在-40℃~85℃温度范围内测试结果




    IDT 90E46是面向智能电网应用的全球最先进单相电能计量SoC。该器件拥有业界最宽的动态范围和前所未有的集成度,帮助智能电表制造商在提高精度的同时简化设计并降低整个系统成本。
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  • 评选流程
  • 2012年6-8月方案提交
    2012年9-11月中电网注册工程师评选
    2012年11月评审委员会专家评选
    2013年01月18日颁奖典礼 (工信部微电子发展研究中心多功能会议室,北京)
  • 评选标准
  • 本次优秀方案评选,将从如下4个方面进行考评,邀请网友投票:
    • 方案的创新性
    • 方案性价比
    • 方案易用度
    • 方案市场潜力
 
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