FRAM在電表應(yīng)用講解學(xué)習(xí)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。FRAM在電表應(yīng)用-自從1889年匈牙利工程師OttoBlathy發(fā)明全世界第一個(gè)HYPERLINK/SEARCH/ART/%B5%E7%C4%DC%B1%ED.HTM電能表(瓦特瓦時(shí)表)原型之后，電能表經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)多的演進(jìn)：由機(jī)械式電表到今日的各種不同型式的電子電能表，包含新的預(yù)付費(fèi)電能表(pre-paid)復(fù)費(fèi)率電能表以及具有雙向通訊能力的電子式電能表等，其提供的擴(kuò)展功能包括：自動(dòng)讀表(AMR)、線上查詢、遠(yuǎn)程連接/斷開，以及復(fù)雜的計(jì)費(fèi)結(jié)構(gòu)等等。這些電能表還可讓使用者對(duì)其耗電量有更好的控制，以便節(jié)省

2、電費(fèi)及更有效地分配用電量。如圖1所示，電子電能表的基本架構(gòu)包括下列各主要功能模塊：電壓電流取樣電路；16位以上分辨率的ADC；計(jì)量與控制單元；通信接口；操作界面；顯示器；存儲(chǔ)器。本文將以存儲(chǔ)器為重點(diǎn)說明為何電子式電能表需要使用HYPERLINK/SEARCH/ART/%CC%FA%B5%E7%B4%E6%B4%A2%C6%F7.HTM鐵電存儲(chǔ)器(HYPERLINK/SEARCH/ART/F%7E%40%7ERAM.HTMF-RAM)。鐵電存儲(chǔ)器的技術(shù)特點(diǎn)首先要說明的是鐵電存儲(chǔ)器和浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的技術(shù)差異?，F(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)，浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元包含一個(gè)電隔離門，浮動(dòng)?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制

3、柵的下面及通道層的上面。浮動(dòng)?xùn)攀怯梢粋€(gè)導(dǎo)電材料，通常是多芯片硅層形成的(如圖2所示)。浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的信息存儲(chǔ)是通過保存浮動(dòng)?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的電壓就能達(dá)到電荷添加或擦除的動(dòng)作，從而確定存儲(chǔ)單元是在”1”或“0”的狀態(tài)。但是浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)需使用電荷泵來產(chǎn)生高電壓，迫使電流通過柵氧化層而達(dá)到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦寫延遲。高寫入功率和長(zhǎng)期的寫操作會(huì)破壞浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元，從而造成有限的擦寫存儲(chǔ)次數(shù)（例如：閃存約十萬次，而EEPROM則約1百萬次)。鐵電存儲(chǔ)器是一種特殊工藝的非易失性的存儲(chǔ)器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT)材料形成存儲(chǔ)器結(jié)晶體，如圖3所示。當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被

4、施加到鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)停在低能量狀態(tài)I位置，反之，當(dāng)電場(chǎng)反轉(zhuǎn)被施加到同一鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)并停在另一低能量狀態(tài)II。大量中心原子在晶體單胞中移動(dòng)耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場(chǎng)作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場(chǎng)下無反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較低，這種鐵電材料的二元穩(wěn)定狀態(tài)使得鐵電可以作為存儲(chǔ)器。圖1、電子電能表的基本電路方塊圖。圖2、浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元圖3、鐵電存儲(chǔ)器結(jié)晶單元。特別是當(dāng)移去電場(chǎng)后，中心原子處于低能量狀態(tài)保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存不會(huì)消失，因此可利用鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)形成高極化電荷，或無反轉(zhuǎn)形成低極化電荷來判別

5、存儲(chǔ)單元是在”1”或“0”狀態(tài)。鐵電疇的反轉(zhuǎn)不需要高電場(chǎng)，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲(chǔ)單元是在”1”或“0”的狀態(tài)；也不需要電荷泵來產(chǎn)生高電壓數(shù)據(jù)擦除，因而沒有擦寫延遲的現(xiàn)象。這種特性使鐵電存儲(chǔ)器在掉電后仍能夠繼續(xù)保存數(shù)據(jù)，寫入速度快且具有無限次寫入壽命，不容易寫壞。所以，與閃存和EEPROM等較早期的非易失性內(nèi)存技術(shù)比較，鐵電存儲(chǔ)器具有更高的寫入速度和更長(zhǎng)的讀寫壽命。應(yīng)用范例下面以0.2級(jí)三相電能表為例來說明為何電子電能表需要使用F-RAM存儲(chǔ)器。首先要說明電能表0.2級(jí)的定義，所謂0.2級(jí)是指測(cè)量精度每千瓦小時(shí)(KWH)需小于0.2%的誤差，相對(duì)來說如果是0.5級(jí)則是指指測(cè)量精度每千瓦

6、小時(shí)(KWH)需小于0.5%的誤差。其次要說明國(guó)家電網(wǎng)對(duì)0.2級(jí)三相電能表的用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)范。如下列范例所示，其存儲(chǔ)內(nèi)容分為“用電數(shù)據(jù)及事件記錄”兩部份：1.用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ):*數(shù)據(jù)保存:存儲(chǔ)器需保存包括12個(gè)月的總電能和各費(fèi)率的電能數(shù)據(jù),包括有功、無功功率；有功、無功總電能；四象限無功總電能以及正反向有功、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2、等等共16個(gè)項(xiàng)目，每一項(xiàng)目需4字節(jié)，12個(gè)月共(4字節(jié)x16項(xiàng)x12月=768字節(jié))。*負(fù)荷記錄存儲(chǔ):存儲(chǔ)器空間應(yīng)保證在記錄正反向有、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2、等等共6個(gè)項(xiàng)目，每一項(xiàng)目需4字節(jié)，時(shí)間間隔為1分鐘的情況下、可記錄不

7、少于30天的數(shù)據(jù)容量，最長(zhǎng)時(shí)間間隔為1分鐘，以60分鐘間隔來計(jì)算其數(shù)據(jù)量為(4字節(jié)x6項(xiàng)x24小時(shí)x30天=17,280字節(jié))。2.事件記錄存儲(chǔ):內(nèi)容則包括最近10次編程時(shí)間；需量清零時(shí)間；校時(shí)事件；A、B、C相失壓起始及恢復(fù)時(shí)間；A、B、C相斷相起始及恢復(fù)時(shí)間；電流不平衡起始及恢復(fù)時(shí)間和事件期間的各項(xiàng)電能增量共6大項(xiàng)801字節(jié)。不包含負(fù)荷記錄，上述數(shù)據(jù)量相加起來最低存儲(chǔ)器需求就有1,569字節(jié)(12.51千位)，若再加上第三點(diǎn)的負(fù)荷記錄存儲(chǔ)緩沖，其數(shù)據(jù)量則高達(dá)18,849字節(jié)(150.79千位)。以存儲(chǔ)速度來作比較：I2C的EEPROM寫1,569字節(jié)需要0.91秒，寫18,849字節(jié)需花費(fèi)

8、11.07秒；但是I2C的鐵電(FRAM)存儲(chǔ)器，寫1,569字節(jié)僅需要45毫秒，寫18,849字節(jié)僅需花費(fèi)0.55秒。事實(shí)上當(dāng)Vdd在0.01秒的時(shí)間下降0.23V(使用1000?f130?內(nèi)阻的電容)的放電率條件下，鐵電存儲(chǔ)器能寫50,000次，而EEPROM僅能寫一次。因?yàn)楦?dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的擦寫延遲在大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，所以浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器并不適用于高容量的電能表。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的民用電一般約每戶每月200度左右，而工業(yè)用電每戶每月約高達(dá)2萬度左右，以每0.01度存儲(chǔ)一次用電數(shù)據(jù)來計(jì)算，則存儲(chǔ)器每月的擦寫次數(shù)會(huì)高達(dá)200萬次，加上電能表的使用壽命為5-7年(各省分不同)，因此浮動(dòng)?xùn)?/p>

9、存儲(chǔ)器的擦寫壽命根本不敷使用，因?yàn)楦?dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的擦寫延遲因素更不可能采用大容量浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器來做移位儲(chǔ)存。從數(shù)據(jù)保存的本質(zhì)安全角度及寫入時(shí)間來看，浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器并不適用于三相電能表，因?yàn)樵谌绱舜罅康臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)情況下，浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的擦寫延遲有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。例如，用電量大或者遇到瞬間停電時(shí)會(huì)有來不及寫入，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的可能性。當(dāng)然工程師們可以利用SRAM作為數(shù)據(jù)緩沖暫時(shí)存儲(chǔ)用電數(shù)據(jù)，但是這樣就需要備份電池給SRAM供電，以防止斷電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，此外，還會(huì)增加電能表本身的功耗與成本。所以具有非易失性、無延遲快速寫入、無限的讀寫壽命和超低的寫入功耗特性的鐵電存儲(chǔ)器，就成為了電能表的最佳存儲(chǔ)器選擇。中國(guó)國(guó)家

10、電網(wǎng)對(duì)0.2級(jí)三相電能表的用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容要求如下：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容:1、至少能存儲(chǔ)前12個(gè)月或前12個(gè)（結(jié)算）抄表周期的總電能和各費(fèi)率的電能數(shù)據(jù),(負(fù)荷記錄:有功、無功的電壓、電流、頻率；有功、無功功率；功率因子；有功、無功總電能；四象限無功總電能。(4字節(jié)x16x12月=768字節(jié))。2、負(fù)荷記錄間隔時(shí)間可以在160分鐘之間任意設(shè)置。3、負(fù)荷記錄存儲(chǔ)空間應(yīng)保證在記錄正反向有功、無功總電能、組合有功、組合無功1、組合無功2，時(shí)間間隔為1分鐘的情況下可記錄不少于30天的數(shù)據(jù)容量(這個(gè)數(shù)據(jù)通常會(huì)移至閃存)。在1分鐘間隔時(shí):(4字節(jié)x6x60分鐘x24小時(shí)x30天=1,036,800字節(jié))在60分鐘間

11、隔時(shí):(4字節(jié)x6x24小時(shí)x30天=17,280字節(jié))事件記錄存儲(chǔ)內(nèi)容：1、最近10次編程時(shí)間及編程對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。(年,月,日,時(shí),分,秒=6字節(jié)x10次+40字節(jié)數(shù)據(jù)=100字節(jié))2、最近10次的需量清零時(shí)間及清零前的最大需量值。(年,月,日,時(shí),分,秒=6字節(jié)x10次+40字節(jié)數(shù)據(jù)=100字節(jié))3、最近10次校時(shí)事件，校時(shí)前后時(shí)間。(年,月,日,時(shí),分,秒=6字節(jié)x20次(前+后)+1字節(jié)事件=121字節(jié))4、最近10次A、B、C相失壓起始、恢復(fù)時(shí)間及其期間的電能增量。(年,月,日,時(shí),分,秒=6字節(jié)x20+40字節(jié)增量=160字節(jié))5、最近10次A、B、C相斷相起始、恢復(fù)時(shí)間及期間的電能增量(年,月,日,時(shí),分,秒=6字節(jié)x20+40字節(jié)增量=160字節(jié))6、最近10次電流不平衡起始、恢復(fù)時(shí)間及其期間的電能增量(年,月,日,時(shí),分,秒=6字節(jié)x20+40字節(jié)增量=160字節(jié))總存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在條件(1+4+5+6+7+8+9)=1,569bytes(12.51Kb)總存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在條