智能电表需求稳步上涨，盘点高集中度的国产电能计量芯片

电子发烧友网报道（文/李宁远）随着对电力需求的不断上升，国内电力消费规模逐年增长，社会用电量持续增加。可以看到现在国家正在持续加大电力设施的投入和能源结构的优化，这些增长也给智能电表行业带来了很多发展机遇。
 
智能电表的核心器件——电能计芯片在智能电表中实现以微电子电路为基础的电能数据计量，直接关系到智能电表的计量精度和工作可靠性、稳定性等产品品质。它能实现的基础功能是电能计量，也就是用电设备的电压、电流和所消耗电能这些参数的测量。还有一些电能计芯片，在基础功能之外还可以测量功率因素、过零点等参数。
 
智能电表市场规模与发展
 
智能电表的架构由电能计量芯片、主控芯片和载波通信芯片组成。根据美通社数据，2022年全球智能电表市场约为114亿美元，预计到2026年达到152亿美元，以6.7%的年复合增长率增长。而根据头豹研究院数据，2021年我国智能电表行业规模达到了195亿元，未来将保持在6%的年复合增长率。
 

数据来源：头豹研究院，电子发烧友网制图

 
智能电表内，电能计量芯片可以分为单芯片产品和SoC芯片产品，更细分一点则是三相电能计量芯片、单相电能计量芯片、单相电能表SoC芯片。单芯片就只包含了电能计量模块，SoC芯片则集成了MCU、RTC等等其他功能模块。
 
根据普华有策对国内智能电表电能计芯片的市场容量统计，2021年三相计量芯片市场容量在1.2亿元，单相SoC市场容量在1.6亿元、单相计量芯片市场容量在0.9亿元。国内单相计量芯片的需求是最大的，因为家庭用的智能电表数量庞大，不过价格上就相对一些，三相主要应用在工业上。
 
从芯片角度来说，电能计本身也属于数模混合集成电路，在多功能、低功耗、低成本的发展趋势上和其他数模混合集成电路比较类似，同时其朝SoC架构发展的趋势也很明显。单一功能的计量芯片不再吃香，集成其他功能的SoC芯片开始获得大量的市场机会。其实电能计芯片也开始扩展到电表以外的智能仪表应用上，比如分布式电源、电动汽车充电桩等，在仪表设备上实现智能计量的功能。
 
交流电能计量与直流电能计量
 
目前市面上，计量交流电的芯片居多，直流计量芯片很少。传统的电能计都是测量交流电，最早的交流计量使用电压和电流线圈的组合在旋转铝盘中感应涡流，慢慢发展到后来升级到可以监测绝对精度的更先进的交流计量。
 
但是随着电力应用需求的发展，精确地直流电能计量开始变得越来越重要，特别是涉及电能计费的地方。以现在最火热的电动汽车为例，标准的电动汽车充电器在交流侧进行计量，这样就存在一个问题，无法测量交流到直流转换过程中损失的电能。随着氮化镓和碳化硅器件的发展，现在电动汽车很多快充直接连接到汽车电池，电能以直流方式传输，这显然需要在直流侧实现精准计量的。
 
不过在直流电能计量上也有不少设计挑战，比如电压测量上需要重点考量组件的温度系数和电压系数以确保在整个温度范围内具有所需的精度，需要关注分流器的连接和所产生热量的分布情况与确保精度不会下降等等。
 
不论是传统的还是现在更为先进的交流计量，还是越来越重要的直流计量，都是根据其每千瓦时脉冲常数和百分比等级精度进行分类的。每千瓦时脉冲数表示电能更新率，即分辨率。等级精度表示电能的最大计量误差，我们在关注电能计时也会最先关注芯片计量的精度。目前国内市场上，国产电能计市占率很不错，也反映出国产电能计性能的优秀。
 
电能计国内主要玩家
 
在电能计量芯片上，国内主流玩家有上海贝岭（锐能微）、钜泉光电、智芯微等，这几家基本上占据了国内绝大部分市场份额。其中上海贝岭（锐能微）、钜泉光电不论是在单芯片产品还是SoC产品上都非常强势。
 
上海贝岭（锐能微）
 
上海贝岭的电能计量芯片产品覆盖范围非常广，从单相计量、三相计量、单相SoC到智能计量均有细分产品矩阵。智能计量这一类别属于电源管理IC，这里不做统计。
 
单相计量上有三个料号，主要是封装和通信接口有差异，其动态范围均为8000：1，有功/无功误差、电流电压误差均为0.1%，频率为0.2%，参数性能绝对的领先。
 
三相计量上只有一颗RN8302，集成了7路高精度ADC，具备高达5000:1的动态范围，能够同时测量基波和全波的有功功率、无功功率和视在功率，也可提供功率因数、电压电流有效值、电压电流相角、谐波计算等。此外还提供零线防窃电、全失压低功耗自动测量、二次侧互感器开短路检测等防窃电功能。单相SoC上有一颗RN821X，内嵌32位ARM Cortex-M0核，集成了计量、硬件温补RTC、LCD、EEPROM、加密模块等，满足单相智能表计量需求。
 
在直流计量上，上海贝岭同样也有布局，料号RN7302，一款多功能高精度的三相、直流计量专用芯片，适用于三相四线和三相三线应用。具体的性能参数并未在官网上公布。
 
上海贝岭（锐能微）的电能计量产品广泛应用在各类电表应用上，不论是单、三相计量芯片、还是SoC芯片其市占率在国内市场均在前三。据悉，上海贝岭非常重视直流计量技术，在深入研究和储备，以满足高精度直流计量的需求。
 
钜泉光电
 
钜泉光电的主要产品包括了智能电表相关的计量芯片、MCU和电力载波芯片，是国内市场发展势头非常强劲的厂商，同时也在今年成功上市。这里我们重点关注计量芯片，尤其是它旗下的三相电能计芯片。因为根据钜泉光电公布的2021年营收统计，三相电能计芯片是钜泉光电的最主要营收。
 

图源：钜泉光电

 
总的来看，钜泉光电旗下的计量IC均可应用于0.2S级有功精度要求和1级无功精度要求的电表，并提供智能电表所需的高精度电参数，提供用于谐波分析的参量，并具有防恶意干扰正常计量的防窃电模式。
 
单相计量里的两款目前已经量产出货的只有HT7017。HT7017动态范围达到了8000：1，整个精度也做到了0.1%级别。比较亮眼的是所有参数都是内部硬件算法直接进行运算的，精度可靠。
 
单相SoC上共7个料号，集成的32位处理器并未详细信息，配了128K Flash、8K SRAM、单相EMU单元等等，因为其防窃电功能，在海外出口上很吃香，占有率有逐步攀升到出口市场第一位的趋势。
 
三相计量，一共有7个料号，精度都在0.1%。钜泉光电的三相计量芯片内集成了多路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量。这些三相计量芯片可以支持纯软件的校表、提供瞬时基波有功功率信息用于基波的校正，并提供两类视在功率、能量计量方式，非常灵活，有很强的竞争优势。
 
钜泉光电目前也在电能计量SoC芯片的技术经验上延伸拓展智能电表MCU领域，同时在双芯模组化智能电表计量芯片研发上加大了投入。
 
万高科技
 
万高的计量产品集中在单相计量上，单相计量AFE共6个料号，能在5000：1的动态范围里有功计量误差小于0.1%，无功计量误差小于0.2%，电压/电流有效值误差小于0.5%，在国内市场和上海贝岭、钜泉光电同属第一梯队。
 

图源：万高科技

 
SoC系列产品三个料号，集成了Cortex-M0内核，5000:1 动态范围内，全波/基波有功能量计量误差小于 0.1%，全波/基波无功能量计量误差小于0.2%，全波/基波电压/电流有效值误差小于 0.5%。作为国网下属公司，在资本、技术和规模上具有不少优势。
 
中微爱芯
 
中微爱芯在电能计量赛道上属于新玩家，今年发布了一款防窃电专用计量芯片AiP8209，单相计量芯片。
 
AiP8209在1500：1的动态范围内提供0.1%的精度，在400：1动态范围内误差小于0.5%，动态范围相对上面两家行业龙头来说还是稍逊一筹。能同时提供两路独立的有功功率和有效值、电压有效值、线频率、过零中断等，可以实现灵活的防窃电方案。
 
芯海科技
 
芯海科技在电能计上的布局集中在单相多功能电能计量芯片上，目前有CSE7759和CSE7761两个系列。
 
CSE7761在5000：1的动态范围下能提供小于0.1%的有功电能误差，内部集成了3路 sigma-delta ADC、功率计算器、能量频率转换器，提供高速的电压、电流的波形数据，非常适合高性能功率测量应用。
 
小结
 
作为智能电表重要组成部分的电能计，其国产化也是非常重要的，目前看来电能计行业的集中度还是非常高的，而且国内市场受国网、南网招标计划影响很大。
 
从技术角度来看，现在单一功能的电能计量芯片逐步被集成了MCU及其他功能的SoC芯片取代。随着物联网、新能源、和直流输电技术的进一步发展，市场对直流计量功能的需求也在日益增长。