為何電子式電能表需要使用鐵電存儲器(F-RAM)

2020-12-08 電子發燒友

為何電子式電能表需要使用鐵電存儲器(F-RAM)

佚名 發表於 2010-10-11 09:24:36

　　自從1889年匈牙利工程師 Otto Blathy 發明全世界第一個電能表 (瓦特瓦時表)原型之後，電能表經過一個世紀多的演進：由機械式電錶到今日的各種不同型式的電子電能表，包含新的預付費電能表 (pre-paid) 復費率電能表 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，以及複雜的計費結構等等。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包括下列各主要功能模塊：電壓電流取樣電路;16位以上解析度的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)。

　　鐵電存儲器的技術特點

　　首先要說明的是鐵電存儲器和浮動柵存儲器的技術差異。現有快閃記憶體和EEPROM都是採用浮動柵技術，浮動柵存儲單元包含一個電隔離門，浮動柵位於標準控制柵的下面及通道層的上面。浮動柵是由一個導電材料，通常是多晶片矽層形成的 (如圖2所示)。浮動柵存儲單元的信息存儲是通過保存浮動柵內的電荷而完成的。利用改變浮動柵存儲單元的電壓就能達到電荷添加或擦除的動作，從而確定存儲單元是在 」1」或「0」 的狀態。但是浮動柵技術需使用電荷泵來產生高電壓，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柵存儲單元，從而造成有限的擦寫存儲次數(例如：快閃記憶體約十萬次，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，是採用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲器結晶體，如圖3所示。當一個電場被施加到鐵電晶體時，中心原子順著電場停在低能量狀態I位置，反之，當電場反轉被施加到同一鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體裡移動並停在另一低能量狀態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所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場下無反轉所形成的極化電荷較低，這種鐵電材料的二元穩定狀態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、浮動柵存儲單元

　　

 

　　圖3、鐵電存儲器結晶單元。

　　特別是當移去電場後，中心原子處於低能量狀態保持不動，存儲器的狀態也得以保存不會消失，因此可利用鐵電疇在電場下反轉形成高極化電荷，或無反轉形成低極化電荷來判別存儲單元是在 」1」或 「0」 狀態。鐵電疇的反轉不需要高電場，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;也不需要電荷泵來產生高電壓數據擦除，因而沒有擦寫延遲的現象。這種特性使鐵電存儲器在掉電後仍能夠繼續保存數據，寫入速度快且具有無限次寫入壽命，不容易寫壞。所以，與快閃記憶體和EEPROM 等較早期的非易失性內存技術比較，鐵電存儲器具有更高的寫入速度和更長的讀寫壽命。

　　應用範例

　　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) 需小於0.2% 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)需小於0.5% 的誤差。其次要說明國家電網對0.2級三相電能表的用電數據存儲規範。如下列範例所示，其存儲內容分為「用電數據及事件記錄」兩部份：

　　1. 用電數據存儲:

　　* 數據保存: 存儲器需保存包括12個月的總電能和各費率的電能數據, 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位元組，12個月共( 4位元組x 16項 x 12月= 768位元組)。

　　* 負荷記錄存儲: 存儲器空間應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位元組，時間間隔為1分鐘的情況下、可記錄不少於30 天的數據容量，最長時間間隔為1分鐘， 以60分鐘間隔來計算其數據量為 ( 4位元組x 6項 x 24小時x 30天 = 17,280 字節)。

　　2. 事件記錄存儲: 內容則包括最近10 次編程時間;需量清零時間;校時事件;A、B、C相失壓起始及恢復時間;A、B、C 相斷相起始及恢復時間;電流不平衡起始及恢復時間和事件期間的各項電能增量共6大項801位元組。

　　不包含負荷記錄，上述數據量相加起來最低存儲器需求就有1,569 字節 (12.51千位)，若再加上第三點的負荷記錄存儲緩衝，其數據量則高達18,849 字節 (150.79千位)。

　　以存儲速度來作比較：I2C的EEPROM 寫1,569 字節需要 0.91秒，寫18,849 字節需花費11.07秒;但是I2C的鐵電(FRAM)存儲器，寫1,569 字節僅需要 45毫秒，寫18,849 字節僅需花費0.55秒。事實上當Vdd在0.01秒的時間下降0.23V (使用1000?f 130?內阻的電容) 的放電率條件下，鐵電存儲器能寫50,000次，而EEPROM僅能寫一次。因為浮動柵存儲器的擦寫延遲在大量數據存儲時有可能導致數據丟失，所以浮動柵存儲器並不適用於高容量的電能表。

　　根據統計，中國的民用電一般約每戶每月200度左右，而工業用電每戶每月約高達2萬度左右，以每0.01度存儲一次用電數據來計算，則存儲器每月的擦寫次數會高達200萬次，加上電能表的使用壽命為5-7年(各省分不同)，因此浮動柵存儲器的擦寫壽命根本不敷使用，因為浮動柵存儲器的擦寫延遲因素更不可能採用大容量浮動柵存儲器來做移位儲存。

　　從數據保存的本質安全角度及寫入時間來看，浮動柵存儲器並不適用於三相電能表，因為在如此大量的數據存儲情況下，浮動柵存儲器的擦寫延遲有可能導致數據丟失。例如，用電量大或者遇到瞬間停電時會有來不及寫入，導致數據丟失的可能性。

　　當然工程師們可以利用SRAM作為數據緩衝暫時存儲用電數據，但是這樣就需要備份電池給SRAM供電，以防止斷電時數據丟失，此外，還會增加電能表本身的功耗與成本。所以具有非易失性、無延遲快速寫入、無限的讀寫壽命和超低的寫入功耗特性的鐵電存儲器，就成為了電能表的最佳存儲器選擇。

　　中國國家電網對0.2級三相電能表的用電數據存儲內容要求如下：

　　數據存儲內容:

　　1、 至少能存儲前12個月或前12個(結算)抄表周期的總電能和各費率的電能數據, (負荷記錄: 有功、無功的電壓、電流、頻率;有功、無功功率;功率因子;有功、無功總電能;四象限無功總電能。

　　( 4位元組x 16 x 12月= 768 字節) 。

　　2、 負荷記錄間隔時間可以在1～60 分鐘之間任意設置。

　　3、 負荷記錄存儲空間應保證在記錄正反向有功、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2，時間間隔為1分鐘的情況下可記錄不少於30 天的數據容量 (這個數據通常會移至快閃記憶體)。

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

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

　　事件記錄存儲內容：

　　1、 最近10 次編程時間及編程對應的數據標識。

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒 = 6位元組 x 10次+ 40位元組數據= 100位元組)

　　2、 最近10 次的需量清零時間及清零前的最大需量值。

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6位元組 x 10次+ 40位元組數據= 100位元組)

　　3、 最近10次校時事件，校時前後時間。

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6位元組 x 20次(前+後) + 1位元組事件= 121位元組)

　　4、 最近10 次A、B、C 相失壓起始、恢復時間及其期間的電能增量。

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6 字節 x 20 + 40 字節增量= 160位元組)

　　5、 最近10 次A、B、C 相斷相起始、恢復時間及期間的電能增量

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6位元組 x 20 + 40位元組增量= 160位元組)

　　6、 最近10 次電流不平衡起始、恢復時間及其期間的電能增量

　　(年, 月, 日, 時, 分, 秒= 6位元組x 20 + 40位元組增量= 160位元組)

　　總存儲數據在條件 (1+4+5+6+7+8+9)= 1,569 bytes (12.51Kb)

　　總存儲數據在條件 (1+3+4+5+6+7+8+9)= 18,849 bytes (150.79Kb)

　　本文小結

　　鐵電存儲器能兼容RAM的一切功能，並且和ROM的技術一樣，是一種非易失性的存儲器，適合用於需要較以往更高的數據收集速率及壽命的電能表或先進計量產品。由於鐵電存儲器具有高速的寫入速度和無限的讀寫壽命，加上其非易失性及低功耗的特點，所以電子電能表需要使用鐵電存儲器作為數據存儲。

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