傳感器-智能電表設計面臨挑戰(zhàn)及成功計量解決方案分析_研究報告

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采用智能電表讓企業(yè)和工程師有更多機會設計出符合不斷演進的全球標準的計量解決方案，這些解決方案能夠滿足未來需求，并將成為大眾解決方案的一部分，即低成本解決方案。然而，要設計出成功的計量解決方案，還需要克服許多難題。

　　很多時候，開發(fā)計量芯片的設計人員甚至沒有意識到計量解決方案所面對的挑戰(zhàn)和需求。在這種情況下，設計人員很容易出現(xiàn)設計問題，使產品因為小的設計缺陷而無法用于最終解決方案。

　　本文將介紹計量SoC設計中的一些主要問題，并提出一些能夠實現(xiàn)預期目標的解決方案。同時，本文還使SoC設計人員能夠提前了解挑戰(zhàn)，從而能夠從容應對并設計出有效的解決方案。

　　挑戰(zhàn)1：精確度

　　精確度是計量應用獲得成功的關鍵，因為服務提供商絕不會采用無法準確測量的儀表。精確度對于電表應用來說尤為重要，因為與天然氣/水流量表模型相比，電表更加依賴模擬片上組件。通常，電表使用片上ADC測量電流和電壓的電平(因為片外ADC會增加最終解決方案的價格)。另一方面，燃氣流量計使用片外傳感器感應氣體流的速度。

　　這些傳感器能夠以一系列脈沖的形式提供數字輸出，這些輸出與流速成正比。由于這些傳感器一般都采用數字接口，因此整體精度對SoC的依賴性較低，更多地依賴于外部傳感器。

　　另一方面，對于電能計量，精確度取決于兩個方面：輸電線如何與儀表相接(使用變壓器、傳感器、Rogowski線圈等)以及片上AFE(模擬前端)對電壓和電流的測量精度。

　　因此，對于燃氣/水流量表來說，精度在很大程度上取決于所連接的傳感器的精度。對于電表，精度取決于兩個因素：SoC的AFE以及SoC的片外模擬接口。下面我們將逐個進行討論。

　　模擬前端(AFE)從客戶的角度來說，AFE的精度是最重要的因素。通常情況下，ADC的結果決定SoC的可擴展性。

模擬系統(tǒng)的精度主要取決于ADC的選擇。Σ-Δ ADC和逐次逼近(SAR)ADC是計量應用中最常用的，這兩種ADC都有其各自的優(yōu)缺點。SAR ADC使用逐次逼近算法，Σ-Δ ADC使用過采樣技術對輸入進行采樣，并執(zhí)行轉換。SAR ADC非常適用于功率敏感型應用。

　　然而，它們可能不適合在非常嘈雜的環(huán)境中使用。因此，根據ADC的性能和用例環(huán)境，可以在ADC輸入端使用低通濾波器過濾噪聲。同時，與Σ-Δ ADC相比，它們還具有較低的穩(wěn)定時間-穩(wěn)定ADC以給出準確轉換值所需的時間。

　　因此，SAR ADC更加適用于需要快速切換輸入通道的應用，快速切換通道會導致快速改變輸入電平。Σ-Δ ADC需要高頻率時鐘，從而縮短穩(wěn)定時間。因此，這會提高解決方案的最終成本并增加功耗。

　　負載線接口能耗計算需要在電流和電壓值之間執(zhí)行多次乘法和加法運算。確定輸入負載電壓很容易；然而，確定電流消耗的確有些困難。

　　家庭/工業(yè)/建筑物消耗的總電流不能饋送到芯片。然而，可以確定一個比例值(電流或電壓)并饋送到AFE，然后使用ADC進行測量。

　　電流和電壓測分流電阻器技術使用放置在負載電流線路上的小(分流)電阻器。當負載電流通過該電阻時，會形成一個小的電壓降。這個電壓降作為輸入饋送到AFE中，后者可以測量相應的電流消耗。

　　電流互感器(CT)方法與普通變壓器的工作方式相同，負載電流(已消耗電流)磁通在二級CT線圈中生成少量電流，然后將電流通過負載電阻器，將其轉換成相應的電壓，然后再饋送到MCU的AFE。

　　Rogowski線圈是另一種測量電流的方法。這類線圈對于變化較大的電流也有不錯的測量效果。然而，它們以時間差分形式提供輸出。這就是需要一個積分器獲得相應電流值的原因。

　　對比上述三種方式，分流電阻器技術是最便宜的；然而，該技術很難滿足高電流測量要求，并且存在DC偏移的問題。電流互感器(CT)能夠比分流電阻器技術測量更多的電流，然而，它們本身也存在問題：它們的成本更高，存在飽和、滯后和DC/高電流飽和等問題。

　　第三種Rogowski線圈法的測量范圍比CT小，對大電流范圍表現(xiàn)出較好的線性特性，也不存在飽和、滯后或DC/高電流飽和問題。

　　然而，它的成本只比分流電阻器略微高一點。考慮到電流變化和消耗類型，分流電阻器技術主要用于消費/住宅應用，Rogowski線圈在工業(yè)應用中的使用更廣泛。

　　挑戰(zhàn)2：電流消耗

　　SoC的電流消耗是影響應用/解決方案的電池壽命的主要因素。因此，在電池供電模式下運行的應用要求SoC具有非常低的電流消耗。燃氣計/流量計不與電源直接連接。量的比例因子是不變的，因此可以進行適當的計算。這種“電流測量”過程的一個限制是需要有能夠直接測量電流的低成本ADC。

　　另一種選擇是使用已知的負載電阻將該電流轉換成相應的電壓，然后通過ADC測量該電壓，它對應于實際的電流消耗。這為電流測量提供了更可行的低成本解決方案，并且有各種技術可用于電流測量。一些使用最廣泛的技術包括-分流電阻器、Rogowski線圈、電流互感器

因此，它們只能由電池進行供電。因此，與電表相比，這些應用對電流更加敏感。這一特性非常重要，因為計量表的平均使用壽命約為15年，客戶當然不希望每隔幾年就更換電池。

　　因此，與電表相比，燃氣/流量計應用對這些限制更加敏感。在典型燃氣/流量計解決方案中，儀表大多數時間都保持在低能耗狀態(tài)。它將定期隔喚醒以計算能量消耗，存儲數值，并可能重置脈沖計數器等。

　　另外，燃氣/水/熱量的消耗模式不同于電能，因為它們不像電那樣無時無刻不在使用。因此，內核不必總是處于通電狀態(tài)。“低功率模式電流”將扮演重要的角色。許多公司認為低功耗模式電流的范圍是1.1μA-2μA(休眠模式待機電流)。

　　另一個關注領域是SoC的啟動時間及相關的電流消耗。由于應用要求儀表必須定期喚醒，因此啟動時間和啟動電流將非常關鍵。因此，此類SoC中使用的內核比處理速度等其它因素更加重要。

　　挑戰(zhàn)3：安全、防護和檢測

　　安全性、篡改保護和檢測性能主要取決于最終應用的復雜性。滿足這項要求可以很簡單，只需要能夠檢測到是否有人試圖打開儀表蓋，或是否非法訪問SoC并更改計費軟件。

　　但是，也可能會非常復雜，要讓連接以太網的儀表能夠防止黑客攻擊或保護儀表中的用戶數據，這是GPRS/CDMA/ZigBee網絡解決方案的一部分。這些要求存在很大的差異，因為計量能夠或應該能夠支持不同類型的解決方案。

　　對于獨立解決方案，儀表不屬于基于網絡的計量解決方案的一部分，抄表和計費都是手動進行的，對安全性、防護和檢測的要求會很低，因為攻擊單個儀表不會影響其它儀表。因此，服務提供商可能會選擇前面提到的比較簡單的檢測方案。

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智能電表設計面臨挑戰(zhàn)及成功計量解決方案分析