為何電子式電能表需要使用鐵電存儲(chǔ)器(F-RAM)

　　自從1889年匈牙利工程師 Otto Blathy 發(fā)明全世界第一個(gè)電能表 (瓦特瓦時(shí)表)原型之后，電能表經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)多的演進(jìn)：由機(jī)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(fèi)電能表 (pre-paid) 復(fù)費(fèi)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(dòng)讀表(AMR)、線上查詢、遠(yuǎn)程連接/斷開(kāi)，以及復(fù)雜的計(jì)費(fèi)結(jié)構(gòu)等等。這些電能表還可讓使用者對(duì)其耗電量有更好的控制，以便節(jié)省電費(fèi)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(jì)量與控制單元;通信接口;操作界面;顯示器;存儲(chǔ)器。本文將以存儲(chǔ)器為重點(diǎn)說(shuō)明為何電子式電能表需要使用鐵電存儲(chǔ)器(F-RAM)。

　　鐵電存儲(chǔ)器的技術(shù)特點(diǎn)

　　首先要說(shuō)明的是鐵電存儲(chǔ)器和浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的技術(shù)差異?，F(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)，浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元包含一個(gè)電隔離門，浮動(dòng)?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制柵的下面及通道層的上面。浮動(dòng)?xùn)攀怯梢粋€(gè)導(dǎo)電材料，通常是多芯片硅層形成的 (如圖2所示)。浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的信息存儲(chǔ)是通過(guò)保存浮動(dòng)?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的電壓就能達(dá)到電荷添加或擦除的動(dòng)作，從而確定存儲(chǔ)單元是在 ”1”或“0” 的狀態(tài)。但是浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)需使用電荷泵來(lái)產(chǎn)生高電壓，迫使電流通過(guò)柵氧化層而達(dá)到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦寫(xiě)延遲。高寫(xiě)入功率和長(zhǎng)期的寫(xiě)操作會(huì)破壞浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元，從而造成有限的擦寫(xiě)存儲(chǔ)次數(shù)(例如：閃存約十萬(wàn)次，而EEPROM則約1百萬(wàn)次)。

　　鐵電存儲(chǔ)器是一種特殊工藝的非易失性的存儲(chǔ)器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲(chǔ)器結(jié)晶體，如圖3所示。當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被施加到鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)停在低能量狀態(tài)I位置，反之，當(dāng)電場(chǎng)反轉(zhuǎn)被施加到同一鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)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(dòng)耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場(chǎng)作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場(chǎng)下無(wú)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(chǔ)器。

　　圖1、電子電能表的基本電路方塊圖。

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　　圖2、浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元

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　　圖3、鐵電存儲(chǔ)器結(jié)晶單元。

　　特別是當(dāng)移去電場(chǎng)后，中心原子處于低能量狀態(tài)保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存不會(huì)消失，因此可利用鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)形成高極化電荷，或無(wú)反轉(zhuǎn)形成低極化電荷來(lái)判別存儲(chǔ)單元是在 ”1”或 “0” 狀態(tài)。鐵電疇的反轉(zhuǎn)不需要高電場(chǎng)，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲(chǔ)單元是在 ”1”或 “0” 的狀態(tài);也不需要電荷泵來(lái)產(chǎn)生高電壓數(shù)據(jù)擦除，因而沒(méi)有擦寫(xiě)延遲的現(xiàn)象。這種特性使鐵電存儲(chǔ)器在掉電后仍能夠繼續(xù)保存數(shù)據(jù)，寫(xiě)入速度快且具有無(wú)限次寫(xiě)入壽命，不容易寫(xiě)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(chǔ)器具有更高的寫(xiě)入速度和更長(zhǎng)的讀寫(xiě)壽命。

　　應(yīng)用范例

　　下面以0.2級(jí)三相電能表為例來(lái)說(shuō)明為何電子電能表需要使用F-RAM存儲(chǔ)器。首先要說(shuō)明電能表0.2級(jí)的定義，所謂0.2級(jí)是指測(cè)量精度每千瓦小時(shí) (KWH) 需小于0.2% 的誤差，相對(duì)來(lái)說(shuō)如果是0.5級(jí)則是指指測(cè)量精度每千瓦小時(shí) (KWH)需小于0.5% 的誤差。其次要說(shuō)明國(guó)家電網(wǎng)對(duì)0.2級(jí)三相電能表的用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)范。如下列范例所示，其存儲(chǔ)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(chǔ):

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

　　* 負(fù)荷記錄存儲(chǔ): 存儲(chǔ)器空間應(yīng)保證在記錄正反向有、無(wú)功總電能、組合有功、組合無(wú)功1、組合無(wú)功2、等等共6個(gè)項(xiàng)目，每一項(xiàng)目需4字節(jié)，時(shí)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(zhǎng)時(shí)間間隔為1分鐘， 以60分鐘間隔來(lái)計(jì)算其數(shù)據(jù)量為 ( 4字節(jié)x 6項(xiàng) x 24小時(shí)x 30天 = 17,280 字節(jié))。

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

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

　　以存儲(chǔ)速度來(lái)作比較：I2C的EEPROM 寫(xiě)1,569 字節(jié)需要 0.91秒，寫(xiě)18,849 字節(jié)需花費(fèi)11.07秒;但是I2C的鐵電(FRAM)存儲(chǔ)器，寫(xiě)1,569 字節(jié)僅需要 45毫秒，寫(xiě)18,849 字節(jié)僅需花費(fèi)0.55秒。事實(shí)上當(dāng)Vdd在0.01秒的時(shí)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(chǔ)器能寫(xiě)50,000次，而EEPROM僅能寫(xiě)一次。因?yàn)楦?dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的擦寫(xiě)延遲在大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，所以浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器并不適用于高容量的電能表。

　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)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(wàn)度左右，以每0.01度存儲(chǔ)一次用電數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，則存儲(chǔ)器每月的擦寫(xiě)次數(shù)會(huì)高達(dá)200萬(wàn)次，加上電能表的使用壽命為5-7年(各省分不同)，因此浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的擦寫(xiě)壽命根本不敷使用，因?yàn)楦?dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的擦寫(xiě)延遲因素更不可能采用大容量浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器來(lái)做移位儲(chǔ)存。

　　從數(shù)據(jù)保存的本質(zhì)安全角度及寫(xiě)入時(shí)間來(lái)看，浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器并不適用于三相電能表，因?yàn)樵谌绱舜罅康臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)情況下，浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的擦寫(xiě)延遲有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。例如，用電量大或者遇到瞬間停電時(shí)會(huì)有來(lái)不及寫(xiě)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(shí)存儲(chǔ)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(shí)數(shù)據(jù)丟失，此外，還會(huì)增加電能表本身的功耗與成本。所以具有非易失性、無(wú)延遲快速寫(xiě)入、無(wú)限的讀寫(xiě)壽命和超低的寫(xiě)入功耗特性的鐵電存儲(chǔ)器，就成為了電能表的最佳存儲(chǔ)器選擇。

　　中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)對(duì)0.2級(jí)三相電能表的用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容要求如下：

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容:

　　1、 至少能存儲(chǔ)前12個(gè)月或前12個(gè)(結(jié)算)抄表周期的總電能和各費(fèi)率的電能數(shù)據(jù), (負(fù)荷記錄: 有功、無(wú)功的電壓、電流、頻率;有功、無(wú)功功率;功率因子;有功、無(wú)功總電能;四象限無(wú)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(shí)間可以在1～60 分鐘之間任意設(shè)置。

　　3、 負(fù)荷記錄存儲(chǔ)空間應(yīng)保證在記錄正反向有功、無(wú)功總電能、組合有功、組合無(wú)功1、組合無(wú)功2，時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)通常會(huì)移至閃存)。

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

　　在60分鐘間隔時(shí): ( 4字節(jié)x 6 x 24小時(shí)x30天 = 17,280字節(jié))

　　事件記錄存儲(chǔ)內(nèi)容：

　　1、 最近10 次編程時(shí)間及編程對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。

　　(年, 月, 日, 時(shí), 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(shí)間及清零前的最大需量值。

　　(年, 月, 日, 時(shí), 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(shí)事件，校時(shí)前后時(shí)間。

　　(年, 月, 日, 時(shí), 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(shí)間及其期間的電能增量。

　　(年, 月, 日, 時(shí), 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(shí)間及期間的電能增量

　　(年, 月, 日, 時(shí), 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(shí)間及其期間的電能增量

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

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

　　總存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(jì)量產(chǎn)品。由于鐵電存儲(chǔ)器具有高速的寫(xiě)入速度和無(wú)限的讀寫(xiě)壽命，加上其非易失性及低功耗的特點(diǎn)，所以電子電能表需要使用鐵電存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。