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十大主流智能电表芯 你知多少,以及集成了实时

2019-11-22 06:37

十大主流智能电表芯 你知多少?

电表用SoC芯片现状及发展趋势

德州仪器推出16 款全新智能仪表测量MSP430 MCU

智能电表需求旺盛欲拉动半导体器件发展

2017年11月1日

十大主流智能电表芯 你知多少,以及集成了实时时钟和计量功能的SoC芯片。2014年12月30日

2009年10月19日

2011年12月12日

作为智能电表的大脑,MCU一直都是最重要的模块,它负责着采样数据的处理、显示,也负责着对外数据流的交换,可以说它的性能直接决定了智能电表的性能。计量,作为电表最基本也是最重要的一个功能,它在智能电网的过程起着举足轻重的作用。当然,作为智能电表,我们对它有了更多要求,而它如何能满足人们多样化的需求呢?首先,它必须要有一颗坚强的“芯”——MCU。 德州仪器 在智能电表领域,德州仪器公司拥有超过15年的经验,其智能电表方案团队遍布全球,在市场营销、业务拓展、系统/应用、软件团队、标准化及政府关系方面实力优异。 防窃电解决方案—MSP430F471xx系列 德州仪器的MSP430单片机系列集成了ACD,LCD液晶驱动和Flash Memory等,相当于是集合了电能计量芯片和MCU。这一系列芯片最突出的特点是高性能、低功耗,并且能简化PCB板线路。MSP430F471xx系列是超低功耗微控制器,有6或7个16位sigma-delta A/D转换器,主要用于多相电表设计。每路可作为差分输入对和有可编程输入增益。此外还集成了两个16位计时器,四个通用串行通信接,DMA,68个I/O引脚和具有对比度控制的LCD驱动器。此项设计能有效防窃电。澳门新濠新天地3559 1

随着电子式电能表在世界各国的大规模部署,芯片解决方案也由最初的分立的计量芯片、MCU芯片、实时时钟芯片、存储芯片、安全芯片、通信芯片、电源管理芯片和液晶驱动芯片整合成计量SoC芯片(集成计量功能、实时时钟、存储器和液晶驱动)、安全芯片和通信芯片,但由于政策和工艺的原因,国内市场中安全芯片和需要隔离的通信芯片仍然无法集成到SoC中。

全新 MSP430F4xx 超低功耗 MCU 可充分满足模拟前端需求,使电气仪表测量应用实现业界领先的高准确度

近年来,随着中美等国家智能电网概念的提出和建设,与之配套的智能电表再次成为业界关注的重点。中国政府计划未来五年全国范围内,安装2.4亿块智能电表。这意味着在2012年到2015年之间的三年内,中国每年新安装的智能电表将高达到8000万块。从长远来说,考虑到中国13亿人,中国安装智能电表的总量应该是5亿块,中国将成为全球最大智能电表消费市场。高速增长的智能电表市场凭其极大的芯片需求成为各半导体厂商角逐的战场。 智能电表需求强劲拉动半导体器件需求 令人欣慰的是,虽然世界经济深受金融危机的影响而令人担忧,但全球智能电表市场却需求强劲。据预测,全球年需求量仅美国智能电网计划就会增加1800万块智能电表,使美国智能电表总数达到4000万块,这还不包括配套的抄表系统。国际能源署预计,到2020年,智能电网将覆盖全世界80%的人口。2013年,与智能电网配套使用的智能电表安装数量将达到7.6亿块,比此前美国科技智库ABI咨询公司(ABI Research)估计的数目翻了一番。 信息请登陆:输配电设备网 iSuppli公司预测,智能电表将与3G智能手机、上网本、蓝光 DVD播放机、液晶电视、监控和医疗电子将成为2010年最流行的电子产品,将极大的刺激包括电源、计量芯片、MCU及RTC、LCD显示屏和通讯端口等其它附加模块的需求。世界各大半导体厂商纷纷押宝智能电网需求下的智能电表芯片市场。 信息来源: 精度更可靠 功能更强大 智能电表远胜感应式电表

国内较为熟知的SoC分为两类:即在前面所述MCU基础上又集成实时时钟但没集成计量功能的半SoC,以及集成了实时时钟和计量功能的SoC芯片。但在国外,有厂商已经能把强电通信、电源管理等功能集成到一颗SoC中,不过实现的工艺成本和设计、测试成本都很高。此外,安全加密功能作为一个标准模块,可以集成到SoC中也并没有技术难度,很多芯片也已经具备这样的功能,但由于政策法规的因素,独立的加密芯片仍然具有较强的生命力。

在欧美立法要求日益严格以及各种实施标准不断推出的背景下,公共设施公司正积极寻求符合相关标准的仪表测量解决方案,以充分满足严格的低能耗标准要求。为满足这些需求,德州仪器 日前宣布推出 16 款针对电气仪表测量应用的最新超低功耗 MSP430 微处理器,进一步壮大了其智能仪表测量产品阵营。这些全新 MSP430F4xx 器件是高度集成型解决方案,可支持独立的模拟前端 需求,并可实现业界领先的高准确度,其误差不足 0.1%。

由于电表与居民生活息息相关的特殊性,以电表为代表的民用三表成为消费者投诉的主要对象,摆在首位的就是电表计量的精确问题。后起的电子式电表解决了感应式电表计量精确问题。正如烟台东方威思顿电器有限公司研发部工程师陈杰说:“目前民用电表精确性没有问题,我们都是按照国家标准,甚至是高于国家标准来操作,计量芯片技术已经非常成熟,绝不会因为芯片的原因影响电表的精确性。” 同时,随着制作工艺的改进,困扰电表的质量问题基本得到解决,因某个元器件突然失效而导致整个电表失效的情况已经成为过去。浙江千能电力有限公司研发部硬件工程师童新铨说道:“我们选用的都是工业级的集成电路和芯片,很少会因为芯片的原因导致电表出现故障。”宁波三星电气股份有限公司系统部副经理袁志明也表示:“一般不会出现因为芯片而导致电表罢工的现象,倒是容易老化的器件,如电容,可能因为老化的原因而出现故障,但目前很少有这种质量问题 。”

在电表市场实际开发过程中,SoC芯片的市场份额从无到有,已逐渐取得了一个可观的市场份额。不过未来虽然技术上可以实现所有功能的全集成,但从应用灵活性以及流片工艺成本的角度考虑,SoC芯片也并非功能集成越多越具有性价比优势。

16 款全新 MSP430 仪表测量 MCU 的主要特性与优势:

宁波三星电气股份有限公司系统部副经理袁志明:

SoC芯片在海外市场,尤其是南亚、东南亚和南美等国家的防窃电应用市场是芯片解决方案的首选。SoC芯片适合防窃电应用的主要原因是在防窃电应用场景下,要求智能电表在电池供电下,需更根据各种窃电模式都能提供低功耗的、有精度要求的计量和显示功能。它隐含的要求就是计量模块与主MCU的功能管理模块必须在掉电下快速响应,在电池供电下快速通信。快速灵活多样的低功耗计量模式,这恰恰是集成了计量功能的SoC的优势。

不断壮大的仪表测量产品系列新增 F471xx、Fx461x 以及 F44x 系列 MCU,可支持多种实施标准;

“切合实际的抄表系统要从多方面考虑,首先你不能太贵,第二是有可实现性。”

最初的防窃电电表功能相对简单,SoC芯片只要32k 闪存就能覆盖基本需求,但目前越来越多的国家增加费率、事件等方面的要求,因此新推出的SoC芯片必须得配备更丰富的程序和数据存储容量。多功能电子式防窃电电表的发展过程中,也呈现出一些新的需求,由此SoC芯片的发展相应的也出现了一些新的趋势。

可满足完整计量解决方案的模拟前端需求;

说到电表就不得不说偷电这个现实问题。随着窃电方式的更加多样化和隐蔽化,对电能表防窃电的要求也越来越高,机械表对此已越来越力不从心,电子式电能表则表现出了强大的优势。童新铨说:“防偷电需要硬件软件相结合才能解决好问题,在硬件没问题的情况下,目前的芯片都能有效地防止偷电行为。” 现在很多半导体公司的方案对于防窃电都是通过MCU软件来实现的,以飞思卡尔的MCF51EM256为例, MCF51EM256加入了可编程延迟模块 ,集成了防盗电检测的实时时钟。该iRTC可以由独立的电池进行供电,拥有独立的32768Hz晶振,拥有专门的防窃电检测管脚进行开盖检测,当检测到电表盖被打开时,会自动通知CPU并自动记录开盖时间。另外,当iRTC检测到对其独立供电的电池被断开时,也会自动通知CPU并记录时间。做到从硬件协助客户进行防窃电取证和记录,增强了系统的可靠性,这些功能使得该iRTC具有可靠的防窃电功能。这些都是业界领先的技术。飞思卡尔工业和多元市场微控制器部全球产品经理谢晓东说:“飞思卡尔是以产品品质和稳定供货着称的公司,微控制器提供全系列从高端到低端(包括专门为中国电表市场定制的MZ系列)产品可供客户选择,MCF51EM256就是其中的一个例子。”

未来SoC仍然会在防窃电电表市场占有主导地位,但在没有防窃电功能要求的智能电表市场的发展将受制于两个因素:

低于 0.1% 的误差可实现高精度能源测量;

飞思卡尔工业和多元市场微控制器部全球产品经理谢晓东:

一是功能规范。如果招标规范一成不变,高集成度的SoC仍然会是趋势;相反,如果智能电表功能多样化尤其是应用功能多样化,那么功能合理定义的多个SoC会在智能电表模块化的驱动下获得快速发展。

具有防篡改保护功能的安全能源监控;

“下一代微控制器,将提供更低功耗,更简便的流量计量外设,提供更强大的自动抄表外设模块。”

二是工艺技术。智能电表设计需要解决的核心技术问题,如强电隔离供电、计量、事件监测和应用、隔离通信、安全加密等,随着半导体技术的进步,不同功能组合,尤其是强弱电功能集成在一颗芯片的流片技术、封装技术都将推动新的电表用SoC产品的发展,也必将推动智能电表向小型化、更可靠、低功耗和高速率的方向发展。来源:《环球表计》

澳门新濠新天地3559,可延长电池使用寿命的超低功耗;

恩智浦半导体大中华区多重市场产品部市场总监金宇杰则表示:“电表设计商通常使用软硬件结合的方式来处理窃电检测,此方法会占用较大系统开销,并且软件方式存在功能失效的可能性。对此问题,我们会在后续产品中推出硬件实现的窃电检测接口,并且耗费的功耗很低。”

针对负载要求响应提高了存储器容量,电费可降低 25%。

恩智浦半导体大中华区多重市场产品部市场总监金宇杰:

TI 丰富的产品系列不断推动智能电网解决方案的发展

“高集成度和低功耗在电表应用中不是对立的。高集成度侧重于当芯片处在正常工作模式时各个外设的连通性能;而低功耗运用在芯片掉电模式下,此时外设已基本关闭。” 爱特梅尔无线微控制器产品市场总监Magnus Pedersen告诉记者:“爱特梅尔的MCU能够解决反偷电难题,其BitCloud PRO堆栈已经获得 ZigBee Smart Energy产品认证,BitCloud Smart Energy可将建筑物室内(in-premise)的设备(如电表、自动调温器和智能电器)相互连接,并连接至区域电力输送和控制网络,为电力公司提供了安全、可靠且易用的无线家庭区域网(home area network, HAN) 技术。爱特梅尔的BitCloud SE通过基础的安全性和协议堆栈,确保整个HAN完全的互操作性和无缝通信,并带来ZigBee Smart Energy设备的完整参考实施方案。此外,爱特梅尔的所有BitCloud ZigBee Smart Energy堆栈完全支持椭圆曲线加密法(Elliptic Curve Cryptography, ECC)以增强设备的加密性能。”

TI 综合计量仪表测量产品系列不但包括针对水电气仪表测量的器件,而且还包括适用于高级仪表基础设施 的电力线通信 与射频 接口产品,可帮助客户完成智能电网解决方案的设计。TI 可为智能仪表测量提供最完整的解决方案集合,从高度优化的专用嵌入式处理器、低功耗 RF、电源管理与 RFID 到面向 ZigBee、6LoWPAN、WMBUS、OFDM 以及 SFSK 调制的专用软件支持。来源:

爱特梅尔微控制器无线产品市场推广总监Magnus Pedersen:

“用于三合一仪表的微控制器的开发正在慢慢演进,随着时间推移,所有标准都将由业界共同开发,从而建立三合一的智能仪表。” 说到智能电表的高度集成,电表芯片将集成更多功能,例如计量,LCD,实时时钟,甚至有半导体厂商还在积极考虑集成电力载波模块,无线模块到单芯片方案中等等。目前,芯片集成已经往高层次的SoC,针对目前电表SoC的应用问题,宁波三星电气股份有限公司系统部副经理袁志明谈到:“现在SoC应用的很多,但用的也不是很理想。首先,从成本上考虑,SoC没有比原来的方案少多少;第二,集成之后灵活性大打折扣,还不如一个计量芯片加一个控制芯片。”同时袁志明还表示,SoC要推广的话也解决两个问题:一是成本问题,二是现实需要问题。有些政策要求必须使用ADI 的计量芯片,如果把ADI 的计量芯片集成到SoC里面去了,就不好确定是不是ADI的计量芯片了。

对于低功耗问题,袁志明表示:“做电表的芯片首先就得考虑是低功耗,低功耗主要表现在停电等特殊时刻,就是在由电池供电的情况下,最有效、长时间的记录信息,显示信息,完成抄表。目前,市场上的芯片低功耗方面还是可以的,因为现在很多IC厂家都瞄准了低功耗方面,很多芯片都达到了低功耗的要求。”谢晓东认同袁志明的说法:“飞思卡尔有独特的超低功耗技术, MCF51EM256也是基于同样超低功耗技术的芯片。飞思卡尔低功耗单片机提供灵活的电源管理模式,客户可以根据实际应用的需求,进行必要的设置,达到最佳的功耗性能比。”

金宇杰对芯片低功耗做了更详细的介绍:“首先,在架构设计时,我们会把针对电表应用和低功耗要求提前纳入考虑范围,通过提高并发执行能力减少代码运行时间,以便让系统在更多时间段内处于休眠状态,以期望达到更低功耗;其次,我们使用业界一流的低功耗工艺生产我们的芯片,确保我们针对电表应用的架构和细节设计被完美体现。”金宇杰同时谈到:“高集成度和低功耗在电表应用中不是对立的。高集成度侧重于当芯片处在正常工作模式时各个外设的连通性能;而低功耗运用在芯片掉电模式下,此时外设已基本关闭。具体来说,我们的MCU具有在引脚兼容的前提下,让客户可选择不同容量的片内存储器并根据需要选择不同的外设;有针对电表量身定制的专用接口;以及在掉电模式下的超低功耗,可延长电池使用寿命,降低系统能耗等方面的优势。” Magnus Pedersen结合爱特梅尔产品说到:“爱特梅尔将继续集成更多的功能以满足应用的不同需求,并致力于降低功耗,提高系统性能。爱特梅尔的32位MCU专为无线电力抄表而设计,这类电表需要更高的性能和功率,而我们的32位AVR微控制器架构正是专为需要高性能和低功耗的应用而建立。这些产品包括一个32位RISC处理器,经设计能够在每个时钟周期做更多的工作,因而以较低的时钟频率达到相同的吞吐量,大大降低功耗。其多重高速系统总线能够确保在各种睡眠模式下,达到出色的处理性能和动态频率调节性能,以确保低功耗。” 智能化是电表的必然趋势

真正意义的智能电表是智能电网的前提下实现的,用电像炒股一样,随时掌握即时电价,便宜时买进,贵的时候等待或卖出。 通过手机或智能电表上就能看到实时电价,可以挑便宜时洗衣服、吸尘或给车充电,电价贵时则减少用电,还能用充电的电动车或风能、太阳能、氢电池、生物沼气灯等输出电力赚钱。 目前,智能电表的智能主要体现在抄表和付费便捷化,离真正意义的智能电表还有很长的路要走。用行内有些人士的话来说,目前国内的智能电表只称得上是电子电表,还算不上智能电表。袁志明以一个电表工程师的身份说:“我们一直想知道未来的电表到底是怎样的,不过,我个人认为,智能电表最大的特点就是交互,就是用户和供电局的信息交互。没有这种信息交互就更别谈智能家庭等等方面的智能,但国外智能交互的案例也不适合我国的借鉴应用,这是国情决定的。” 童新铨则觉得,智能电表的关键是管理,管理更加便捷和人性化,人性化的管理要求芯片的信息处理能力更强。可目前,连多表集抄尚在尝试阶段,三表(电表、水表、燃气表)合一想都不敢想,这一切并不仅仅是技术的问题,而是体制下不同部门利益的问题。用行业人士的话来说,目前的电表芯片市场,只有想不到的,没有做不到的,智能电表所需的功能都能在市场上选到相适用的芯片。那么与未来智能电表配套的芯片会是怎样的呢? 金宇杰说:“未来智能电表MCU必定会朝着绿色环保、更丰富互连接口、更高集成度的方向发展。为响应国家的节能减排,低功耗绿色能源是今后的重中之重;和其他相关电子设备的互连和互操作性的增强,可以为用户提供更舒适的感官体验;最后,高集成度便于系统设计,加速产品上市时间和市场推广。” 谢晓东表示:“针对流量表特殊的要求,流量表对于系统的要求将是更低功耗。下一代微控制器,将提供更低功耗,更简便的流量计量外设,提供更强大的自动抄表外设模块。” Magnus Pedersen则站在行业标准角度说:“用于三合一仪表的微控制器的开发正在慢慢演进,现有数个标准组织在制订这一方面的标准。例如,IEEE标准组织正在制订应用之较低层的标准,尤其是应用硬件部分。当今的标准仅包括802.1503 A/B以及仅在中国使用的802.1504C。IEEE还特别组织参与了802.1503G的标准化工作,以帮助加入附加的功能,并随时间而提高成熟性。随着时间推移,所有这些标准都将由业界共同开发,从而建立三合一的智能仪表。” 未来的智能电表将朝什么方向发展,我们拭目以待,但有一点我们可以肯定,智能电表体积将越来越小,功耗将越来越低,功能将越来越强。至于未来的电表芯片,高集成、低功耗是必不可少的。还有一点不能忽视:要想在中国大面积的普及智能电表,芯片的价位一定要适合中国的国情,能降则降!来源:百方网

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