基于90E46的单相智能电表设计方案

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

 

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摘要：IDT 推出全球最先进单相电能计量SOC：单相电能表SoC IDT90E46 是一款基于IDT 成熟的电能计量技术（AFE）和ARM 高效低功耗32 位 Cortex M0 MCU，配备128kB Flash，6kB RAM，同时集成了单相智能电能表必须的带温度补偿功能的高精度RTC，带高精度内置参考电压源的12 位A/D等常用外设于一身的系统级芯片，它可以大大减少单相智能电能表的元器件数量和整体布版面积，简化单相智能电能表的设计和生产。