IDT90E46：帶RTC的寬量程單相計量SOC開發(fā)必讀 - 全文

　　IDT推出全球最先進單相電能計量SOC：單相電能表SoC IDT90E46 是一款基于IDT 成熟的電能計量技術(shù)（AFE）和ARM 高效低功耗32 位 Cortex M0 MCU，配備128kB Flash，6kB RAM，同時集成了單相智能電能表必須的帶溫度補償功能的高精度RTC，帶高精度內(nèi)置參考電壓源的12 位A/D等常用外設(shè)于一身的系統(tǒng)級芯片，它可以大大減少單相智能電能表的元器件數(shù)量和整體布版面積，簡化單相智能電能表的設(shè)計和生產(chǎn)。IDT 特有的A/D 和DSP 技術(shù)確保了產(chǎn)品在電網(wǎng)和環(huán)境變化的場合也能保持長期穩(wěn)定性。本文主要介紹IDT90E46的性能、內(nèi)部功能設(shè)計及應(yīng)用。

　　1.IDT90E46：帶溫補高精度RTC的寬量程單相計量SOC概述

　　IDT90E46性能介紹

　　計量特性

　　內(nèi)置計量模塊的計量特性完全符合中國國家標準GB/ T17215.211-2006（IEC62052-11）、GB/T17215.321-2008（IEC62053-21） 和 GB/T17215.323-2008（IEC62053-23）的要求，芯片可應(yīng)用于 1 級或 2 級單相有功電能表和2 級單相無功電能表；

　　在計量動態(tài)范圍5000:1 內(nèi)有功電能準確度優(yōu)于0.1%，無功電能準確度優(yōu)于0.2% ；

　　片內(nèi)基準電壓源的溫度系數(shù)典型值為 6ppm/°C；

　　L 線和 N 線電流采樣回路采用獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有不同的增益。電流采樣回路可以選用錳銅或者電流傳感器（CT） ，電壓采樣回路可以采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)或者電壓傳感器（PT） ；

　　正向/ 反向有功/ 無功電能具有獨立的能量寄存器和能量輸出引腳；

　　在整個動態(tài)范圍內(nèi)只需要單點校準；

　　電參數(shù)測量：電壓/ 電流有效值，平均有功/ 無功/視在功率，頻率，功率因數(shù)和相角的引用誤差均低于±0.5% ；

　　L 線和 N 線的測量模式可以設(shè)定；

　　啟動和潛動功率閾值可以設(shè)定；

　　防竊電模式下，L 線和 N 線功率比較閾值可以設(shè)定；

　　可以用于 50Hz 和 60Hz 供電網(wǎng)絡(luò)；

　　MCU 特性

　　32 位ARM Cortex M0 內(nèi)核，6k Byte RAM，128k Byte可編程Flash，最高主頻16MHz ；

　　4 路獨立UART 接口， 其中UART0 提供 IR 調(diào)制功能，UART3支持硬件ISO7816 協(xié)議；

　　1 個獨立的看門狗（WDT）定時器，復(fù)位時間可以設(shè)定，最長4 秒。軟件開啟后，不能關(guān)閉；

　　2 路獨立的 25 位 PWM 輸出，可以分別用于控制繼電器和蜂鳴器；

　　1 路 14 位 低功耗PWM 輸出；

　　2 個帶 8 位預(yù)分頻器的8 位定時器；

　　提供多達 45 個通用IO ；

　　4 個外部中斷輸入，可以用來喚醒芯片；

　　2 路 12 位 A/D，內(nèi)置高精度參考電壓源；

　　1 路 低功耗電壓比較器；

　　提供 4 種工作模式：普通模式，空閑模式，待機模式和LCD 顯示模式。提供掉電和上電監(jiān)測電路 。

　　實時時鐘和溫度傳感器

　　在工業(yè)級溫度范圍內(nèi)（-40 °C ~ 85 °C），內(nèi)置溫度傳感器精度：±1 °C；

　　日歷寄存器（ 年、月、日、時、分、秒等） 以 BCD 格式提供，帶閏年功能；

　　1 個帶中斷功能的可編程報警信號；

　　硬件頻率補償功能。補償范圍：-3900ppm 到3900ppm，補償精度是 ±0.12ppm ；

　　32768Hz 時鐘信號和修正后的 1Hz 脈沖信號可以通過I/O 輸出；

　　2 個獨立的 16 位定時器，可對秒脈沖進行計數(shù)；

　　1 個專用 32 位秒信號計數(shù)器，可用于時間計量。

　　其它特性

　　內(nèi)置4Com×34Seg / 6Com×32Seg 或者 8Com×30Seg LCD 驅(qū)動器，支持1/3 偏壓，內(nèi)置偏置電壓生成電路；

　　外部只需配置 32.768 kHz 晶體即可工作，內(nèi)置PLL 電路；

　　3.3V 單一供電：MCU 工作電壓范圍：2.5V ~ 3.6V ；保證計量精度的電壓范圍：3.0V ~ 3.6V ；

　　工作溫度范圍：-40 °C ~ +85 °C；

　　TQFP100 綠色封裝；

　　IDT帶溫補高精度RTC的寬量程單相計量SOC設(shè)計方案

　　圖1 應(yīng)用方案示意圖

　　應(yīng)用

　　90E46 可以用于單相 2 線制，單相 3 線制和防竊電有功/ 無功智能電能表；

　　同時集成通用 A/D，功率測量，豐富的串行口，實時時鐘（RTC）和 LCD 驅(qū)動器，90E46 也可以用于需要電氣參數(shù)測量，實時時鐘 （RTC），通訊接口和 LCD顯示的電力儀表設(shè)備。

　　2.基于IDT90E46的單相智能電表設(shè)計方案

　　智能電能表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，其技術(shù)標準也在不斷地發(fā)展之中，使得相應(yīng)的芯片技術(shù)也在日益提高。以市場需求量最大的單相智能電能表為例，其技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　計量準確度要求越來越高，電流范圍越來越寬，從之前的5（20）A到現(xiàn)在的5（60）A，再到1（100）A，早期的計量芯片已無法滿足當前電能表設(shè)計的要求，高精度、寬量程的計量芯片被廣泛應(yīng)用。

　　數(shù)據(jù)和事件處理要求越來越多，使得MCU的運算能力和程序容量不斷提高，傳統(tǒng)的8-bit MCU會逐漸被32-bit MCU所取代。

　　智能電能表作為智能電網(wǎng)的最終節(jié)點，其數(shù)據(jù)通信要求越來越強，對外的通信方式有RS485、PLC、紅外，并且要求各通信接口相互獨立并能同時運行；這要求用于電能表設(shè)計的MCU具有豐富的硬件通信接口。

　　IDT的90E46就是順應(yīng)智能電能表的這種發(fā)展趨勢，在業(yè)界推出的第一款集成硬件高精度寬量程計量模塊，ARM 32位 Cortex M0 高性能低功耗MCU內(nèi)核，LCD驅(qū)動和帶溫度補償功能的高精度實時時鐘（RTC）于一體真正意義上的系統(tǒng)級芯片（SoC）。在計量動態(tài)范圍5000:1 內(nèi)，有功電能準確度優(yōu)于 0.1%，無功電能準確度優(yōu)于0.2%，且只需要單點校準；實時時鐘誤差小于±0.5秒/天。

　　90E46芯片與硬件設(shè)計

　　90E46芯片簡介

　　90E46是業(yè)界集成度最高的高精度寬量程單相電能計量SoC，在IDT既有的寬量程計量模擬前端（AFE）的基礎(chǔ)上，集成了ARM Cortex-M0微處理器、LCD驅(qū)動和帶溫度補償功能的高精度實時時鐘（RTC），可以減少單相電能表的元器件數(shù)量，簡化設(shè)計和生產(chǎn)流程，降低材料成本和庫存管理難度。

　　90E46具有下列特性：

　　32位 ARM Cortex M0 內(nèi)核，6KB RAM， 128KB Flash；

　　4路獨立UART，UART0支持紅外調(diào)制（IR），UART3支持硬件ISO7816協(xié)議；

　　集成硬件看門狗（WDT），支持中斷功能；

　　2路25位通用PWM；

　　1路14位低功耗PWM，用于紅外喚醒；

　　2路16位定時器

　　最多45個GPIOs，23個支持5V輸入；

　　4個外部中斷輸入，可用于系統(tǒng)喚醒；

　　2路12位GPADC，集成高精度參考電壓源和閾值比較電路；

　　1路低功耗電壓比較器，用于芯片掉電檢測；

　　芯片支持運行模式、睡眠模式、待機模式和LCD顯示模式；

　　內(nèi)置PLL電路，外部只需32.768kHz晶體即可工作；

　　符合IEC和ANSIC標準要求；可用于單相1級、2級有功電能表和2級無功電能表；

　　在計量動態(tài)范圍5000:1內(nèi)有功電能準確度優(yōu)于 0.1%，無功電能準確度優(yōu)于0.2%；

　　片內(nèi)參考電壓源的溫度系數(shù)典型值 6 ppm/ ℃；

　　電參數(shù)測量：電壓/電流有效值、平均功率、頻率、功率因數(shù)和相角的引用誤差低于0.5%；

　　在整個動態(tài)范圍內(nèi)只需要單點校準，可用于50Hz 和 60Hz電網(wǎng)；

　　片內(nèi)溫度傳感器在-40 ℃~ +85 ℃范圍內(nèi)準確度±1 ℃；

　　片內(nèi)硬件RTC帶頻率補償功能。補償范圍：-3900ppm 到3900ppm，補償精度±0.12ppm；

　　內(nèi)置4Com×34Seg / 6Com×32Seg / 8Com×30Seg LCD驅(qū)動器，含偏置電壓生成電路；

　　工作溫度：-40℃~+85℃；

　　TQFP100 綠色封裝。

　　90E46的功能框圖如圖1所示：

　　圖1 90E46功能框圖

　　硬件設(shè)計

　　90E46采用了高集成度的芯片設(shè)計技術(shù)，外部只需要少量器件就可以實現(xiàn)最小系統(tǒng)功能。整個MCU小系統(tǒng)如圖2所示：

　　圖2 90E46 小系統(tǒng)電路

　　寬量程電能表的校準和軟件設(shè)計

　　測量/計量校準

　　采用90E46設(shè)計的單相電能表，只需要在Ib電流點進行單點校準，即可保證5000:1動態(tài)范圍內(nèi)的計量準確度。對于1（100）A的電能表，可以在5A（或10A）電流下進行校表，同樣可以滿足整個電流范圍內(nèi)的計量準確度。整個校表流程如圖3所示：

　　圖3 90E46 校表流程

　　溫度傳感器

　　90E46內(nèi)部集成的溫度傳感器準確度為±1℃，基于該溫度傳感器，可對RTC和參考電壓進行溫度補償，達到更好的計量性能和RTC準確度。

　　芯片內(nèi)部有專門的溫度傳感器ADC采樣模塊，該模塊可以設(shè)置成周期性自動執(zhí)行的方式，并且可以設(shè)定ADC采樣數(shù)據(jù)的上下限閥值和喚醒。這個功能使得低功耗狀態(tài)下的RTC溫度補償特別方便。MCU在進入低功耗狀態(tài)前，只要先設(shè)置好溫度自動采樣周期（如20s）和上下限閥值。進入低功耗狀態(tài)后，芯片會自動進行周期性溫度采樣，當ADC采樣值超出上下閥值的范圍時，會喚醒MCU，由MCU對RTC進行溫度補償修正。

　　實時時鐘（RTC）外置晶振的溫度補償

　　系統(tǒng)外接單一32768Hz晶體作為系統(tǒng)時鐘源，這也作為RTC的時鐘源。石英晶體振蕩器的振蕩頻率對外部溫度非常敏感，環(huán)境溫度的上升或者下降都會引起中心頻率的漂移，從而造成RTC計時的偏差。為了彌補這種誤差，系統(tǒng)需要實時監(jiān)測晶體周圍環(huán)境溫度，然后根據(jù)晶體的頻率溫度特性對32768Hz晶體的頻率進行動態(tài)的補償，以確保補償后的頻率在整個工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定不變。

　　實時時鐘（RTC）的整個補償過程包括：晶體周圍環(huán)境溫度的采集，和歷史溫度的比較，晶體誤差的計算，補償?shù)葞讉€過程。為了最大限度降低系統(tǒng)功耗，上述 RTC溫度補償過程中的大部分環(huán)節(jié)都可以通過90E46內(nèi)部相應(yīng)的硬件電路來實現(xiàn)，不需要CPU的干預(yù)。完整的RTC溫度補償流程如圖4所示：

　　圖4 RTC溫度補償流程

　　小結(jié)

　　90E46將計量模擬前端（AFE）、微處理器（MCU）、實時時鐘（RTC）和LCD驅(qū)動集成到單一芯片中，是真正意義上的單相智能電能表SoC芯片。采用90E46設(shè)計的電能表，其外圍器件和電路都變得簡單明了。采用90E46可實現(xiàn)1（100）A的單相電能表設(shè)計，從而讓電能表生產(chǎn)廠家采用同一設(shè)計涵蓋不同量程的電能表需求，減少產(chǎn)品開發(fā)投入，降低元器件和庫存管理成本。

　　附錄：產(chǎn)品參數(shù)與測試數(shù)據(jù)

　　寬量程電能表產(chǎn)品參數(shù)

　　電能表的基本參數(shù)為：

　　參比電壓：AC 220V

　　電流規(guī)格：1（100） A

　　參比頻率：50Hz

　　儀表常數(shù)：3200imp/kWh， 3200imp/kvarh

　　計量動態(tài)范圍測試結(jié)果

　　經(jīng)過測試，在20mA~100A的電流范圍內(nèi)，整表的有功電能計量誤差優(yōu)于±0.2%，無功電能計量誤差優(yōu)于±0.4%，可完全滿足1級表的設(shè)計要求。圖5和圖6分別是在PF是1.0和0.5L的情況下有功電能的計量誤差：

　　圖5 PF=1.0時有功電能計量誤差測試數(shù)據(jù)

　　圖6 PF=0.5L時有功電能計量誤差測試數(shù)據(jù)

　　實時時鐘測試結(jié)果

　　經(jīng)測試，電能表的實時時鐘在常溫下的準確度小于±5ppm，誤差小于±0.5秒/天。在-40℃~85℃的溫度范圍內(nèi)，時鐘誤差小于±10ppm。圖7是在 -40℃~85℃溫度范圍內(nèi)的實時時鐘準確度測試結(jié)果：

　　圖7 RTC 1Hz 輸出在-40℃~85℃溫度范圍內(nèi)測試結(jié)果