《fram在電表應(yīng)用》word版

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1、自從1889年匈牙利工程師OttoBlathy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(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，其提供的擴展功能包括：自動讀表(AMR)、線上查詢、遠程連接/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

2、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)盼挥跇藴士刂茤诺南旅婕巴ǖ缹拥纳厦?。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_到電荷添加或擦除的動作，從而確

3、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

4、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卧獔D3、鐵電存儲器結(jié)晶單元。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)。

5、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.

6、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)x16項x12月=768字節(jié))。*負荷記錄存儲:存

7、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)x6項x24小時x30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)。不包含負荷記錄，上述數(shù)據(jù)量相加起來最

8、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(dāng)Vdd在0.01秒的時間下降0.23V(使用1000?f