为何电子式电能表需要使用铁电存储器(F-RAM)

　 自从1889年匈牙利工程师 Otto Blathy 发明全世界第一个电能表 (瓦特瓦时表)原型之后，电能表经过一个世纪多的演进：由机械式电表到今日的各种不同型式的电子电能表，包含新的预付费电能表 (pre-paid) 复费率电能表 以及具有双向通讯能力的电子式电能表等，其提供的扩展功能包括：自动读表(AMR)、线上查询、远程连接/断开，以及复杂的计费结构等等。这些电能表还可让使用者对其耗电量有更好的控制，以便节省电费及更有效地分配用电量。
　　如图1所示，电子电能表的基本架构包括下列各主要功能模块：电压电流取样电路;16位以上分辨率的ADC;计量与控制单元;通信接口;操作界面;显示器;存储器。本文将以存储器为重点说明为何电子式电能表需要使用铁电存储器(F-RAM)。
　　铁电存储器的技术特点
　　首先要说明的是铁电存储器和浮动栅存储器的技术差异。现有闪存和EEPROM都是采用浮动栅技术，浮动栅存储单元包含一个电隔离门，浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。浮动栅是由一个导电材料，通常是多芯片硅层形成的 (如图2所示)。浮动栅存储单元的信息存储是通过保存浮动栅内的电荷而完成的。利用改变浮动栅存储单元的电压就能达到电荷添加或擦除的动作，从而确定存储单元是在 ”1”或“0” 的状态。但是浮动栅技术需使用电荷泵来产生高电压，迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦写延迟。高写入功率和长期的写操作会破坏浮动栅存储单元，从而造成有限的擦写存储次数(例如：闪存约十万次，而EEPROM则约1百万次)。
　　铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器，是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体，如图3所示。当一个电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在低能量状态I位置，反之，当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。铁电畴在电场下反转所形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器。
　　
 

　　图1、电子电能表的基本电路方块图。
　　
 
 
　　图2、浮动栅存储单元
　　
 
 
　　图3、铁电存储器结晶单元。
　　特别是当移去电场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，因此可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在 ”1”或 “0” 状态。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在 ”1”或 “0” 的状态;也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏。所以，与闪存和EEPROM 等较早期的非易失性内存技术比较，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。
　　应用范例
　　下面以0.2级三相电能表为例来说明为何电子电能表需要使用F-RAM存储器。首先要说明电能表0.2级的定义，所谓0.2级是指测量精度每千瓦小时 (KWH) 需小于0.2% 的误差，相对来说如果是0.5级则是指指测量精度每千瓦小时 (KWH)需小于0.5% 的误差。其次要说明国家电网对0.2级三相电能表的用电数据存储规范。如下列范例所示，其存储内容分为“用电数据及事件记录”两部份：
　　1. 用电数据存储:
　　* 数据保存: 存储器需保存包括12个月的总电能和各费率的电能数据, 包括有功、无功功率;有功、无功总电能;四象限无功总电能以及正反向有功、无功总电能、组合有功、组合无功1、组合无功2、等等共16个项目，每一项目需4字节，12个月共( 4字节x 16项 x 12月= 768字节)。
　　* 负荷记录存储: 存储器空间应保证在记录正反向有、无功总电能、组合有功、组合无功1、组合无功2、等等共6个项目，每一项目需4字节，时间间隔为1分钟的情况下、可记录不少于30 天的数据容量，最长时间间隔为1分钟， 以60分钟间隔来计算其数据量为 ( 4字节x 6项 x 24小时x 30天 = 17,280 字节)。
　　2. 事件记录存储: 内容则包括最近10 次编程时间;需量清零时间;校时事件;A、B、C相失压起始及恢复时间;A、B、C 相断相起始及恢复时间;电流不平衡起始及恢复时间和事件期间的各项电能增量共6大项801字节。
　　不包含负荷记录，上述数据量相加起来最低存储器需求就有1,569 字节 (12.51千位)，若再加上第三点的负荷记录存储缓冲，其数据量则高达18,849 字节 (150.79千位)。
　　以存储速度来作比较：I2C的EEPROM 写1,569 字节需要 0.91秒，写18,849 字节需花费11.07秒;但是I2C的铁电(FRAM)存储器，写1,569 字节仅需要 45毫秒，写18,849 字节仅需花费0.55秒。事实上当Vdd在0.01秒的时间下降0.23V (使用1000?f 130?内阻的电容) 的放电率条件下，铁电存储器能写50,000次，而EEPROM仅能写一次。因为浮动栅存储器的擦写延迟在大量数据存储时有可能导致数据丢失，所以浮动栅存储器并不适用于高容量的电能表。
　　根据统计，中国的民用电一般约每户每月200度左右，而工业用电每户每月约高达2万度左右，以每0.01度存储一次用电数据来计算，则存储器每月的擦写次数会高达200万次，加上电能表的使用寿命为5-7年(各省分不同)，因此浮动栅存储器的擦写寿命根本不敷使用，因为浮动栅存储器的擦写延迟因素更不可能采用大容量浮动栅存储器来做移位储存。
　　从数据保存的本质安全角度及写入时间来看，浮动栅存储器并不适用于三相电能表，因为在如此大量的数据存储情况下，浮动栅存储器的擦写延迟有可能导致数据丢失。例如，用电量大或者遇到瞬间停电时会有来不及写入，导致数据丢失的可能性。
　　当然工程师们可以利用SRAM作为数据缓冲暂时存储用电数据，但是这样就需要备份电池给SRAM供电，以防止断电时数据丢失，此外，还会增加电能表本身的功耗与成本。所以具有非易失性、无延迟快速写入、无限的读写寿命和超低的写入功耗特性的铁电存储器，就成为了电能表的最佳存储器选择。
　　中国国家电网对0.2级三相电能表的用电数据存储内容要求如下：
　　数据存储内容:
　　1、 至少能存储前12个月或前12个(结算)抄表周期的总电能和各费率的电能数据, (负荷记录: 有功、无功的电压、电流、频率;有功、无功功率;功率因子;有功、无功总电能;四象限无功总电能。
　　( 4字节x 16 x 12月= 768 字节) 。
　　2、 负荷记录间隔时间可以在1～60 分钟之间任意设置。
　　3、 负荷记录存储空间应保证在记录正反向有功、无功总电能、组合有功、组合无功1、组合无功2，时间间隔为1分钟的情况下可记录不少于30 天的数据容量 (这个数据通常会移至闪存)。
　　在1分钟间隔时: ( 4字节x 6 x 60分钟x 24小时x30天 = 1,036,800 字节)
　　在60分钟间隔时: ( 4字节x 6 x 24小时x30天 = 17,280字节)
　　事件记录存储内容：
　　1、 最近10 次编程时间及编程对应的数据标识。
　　(年, 月, 日, 时, 分, 秒 = 6字节 x 10次+ 40字节数据= 100字节)
　　2、 最近10 次的需量清零时间及清零前的最大需量值。
　　(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6字节 x 10次+ 40字节数据= 100字节)
　　3、 最近10次校时事件，校时前后时间。
　　(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6字节 x 20次(前+后) + 1字节事件= 121字节)
　　4、 最近10 次A、B、C 相失压起始、恢复时间及其期间的电能增量。
　　(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6 字节 x 20 + 40 字节增量= 160字节)
　　5、 最近10 次A、B、C 相断相起始、恢复时间及期间的电能增量
　　(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6字节 x 20 + 40字节增量= 160字节)
　　6、 最近10 次电流不平衡起始、恢复时间及其期间的电能增量
　　(年, 月, 日, 时, 分, 秒= 6字节x 20 + 40字节增量= 160字节)
　　总存储数据在条件 (1+4+5+6+7+8+9)= 1,569 bytes (12.51Kb)
　　总存储数据在条件 (1+3+4+5+6+7+8+9)= 18,849 bytes (150.79Kb)
　　本文小结
　　铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM的技术一样，是一种非易失性的存储器，适合用于需要较以往更高的数据收集速率及寿命的电能表或先进计量产品。由于铁电存储器具有高速的写入速度和无限的读写寿命，加上其非易失性及低功耗的特点，所以电子电能表需要使用铁电存储器作为数据存储。

STM32/STM8

意法半导体/ST/STM