鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1440次 | 2019年11月12日
一種低功耗的電子式電能表電源監(jiān)控芯片
0引言
現(xiàn)代電子式電能表對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定及掉電存數(shù)等有著異常嚴(yán)格的要求，掉電監(jiān)測(cè)及復(fù)位電路是整個(gè)電表中最基本又極為關(guān)鍵的部分。目前國(guó)內(nèi)各電能表廠家大多以MAXIM公司的MAX706、ADI公司的ADM706等類似集成電路做為掉電監(jiān)測(cè)及復(fù)位電路的核心，使用該監(jiān)控電路來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否掉電、監(jiān)控MCU是否正常運(yùn)行。但因?yàn)镸AX706等在上電或掉電到4．4V以下都有復(fù)位信號(hào)，而且復(fù)位信號(hào)輸出時(shí)間不可控制，這很可能會(huì)影響到電表的掉電監(jiān)測(cè)以及存數(shù)。同時(shí)電能表頻繁上、掉電，以及電源干擾信號(hào)很大時(shí)，就會(huì)引起反復(fù)復(fù)位造成電能表中數(shù)據(jù)被破壞，影響電能表的可靠正常運(yùn)行。這關(guān)系到電表計(jì)量的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定及可靠性。
目前眾多廠家為解決上述問(wèn)題，都專門圍繞MAX706等看門狗IC增加額外的外圍電路來(lái)提高掉電監(jiān)測(cè)及復(fù)位電路的穩(wěn)定性和可靠性。但復(fù)雜的額外電路帶來(lái)了成本的增加，pCB布線難度的增加以及器件與焊點(diǎn)增多帶來(lái)的可靠性降低的風(fēng)險(xiǎn)。
針對(duì)電子式電能表嚴(yán)格的復(fù)位監(jiān)控功能，珠海中慧微電子有限公司推出了ZHl7X6系列，它是一款低功耗電源管理數(shù)據(jù)保護(hù)芯片。
ZHl7X6的主要特點(diǎn)是低功耗、高集成度和高可靠性：
ZHl7X6具有-40～+85℃的工業(yè)級(jí)工作溫度、1．18～5．5V的超寬工作電壓；工作在5V下10μA、工作在3．3V下5μA以及低功耗狀態(tài)下低至0．2μA的工作電流；在系統(tǒng)上電、復(fù)位按鍵按下的情況下，芯片能夠保證輸出準(zhǔn)確可靠的復(fù)位信號(hào)；其內(nèi)部的看門狗電路能監(jiān)視微處理器的運(yùn)行，當(dāng)1．6s內(nèi)輸入信號(hào)的狀態(tài)沒(méi)有改變時(shí)將發(fā)出復(fù)位信號(hào)；具有更加可靠的掉電監(jiān)測(cè)功能。在檢測(cè)到掉電信號(hào)時(shí)迅速通知MCU保存數(shù)據(jù)并且控制復(fù)位信號(hào)延時(shí)發(fā)出，可以防止數(shù)據(jù)因掉電而丟失。超寬的工作電壓以及超低的工作電流使芯片格外適合于要求低功耗或使用電池供電的系統(tǒng)，使ZHl7X6系列芯片可以廣泛應(yīng)用在醫(yī)療電子、工控儀表和消費(fèi)類便攜式電子等產(chǎn)品上；不低于4．5kV的ESD防護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性；監(jiān)測(cè)供電電源異常抖動(dòng)并提供強(qiáng)制復(fù)位功能，大大提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性；所有功能集中在8引腳的SOp封裝上(封裝尺寸為5mm×5mm)，性價(jià)比極高。ZHl7X6系列芯片工作電壓見(jiàn)表1，ZHl7X6引腳說(shuō)明見(jiàn)表2和圖1。
1基于ZHl7X6單片掉電監(jiān)測(cè)及復(fù)位電路原理應(yīng)用
圖2是MAX706為核心的電表掉電檢測(cè)及復(fù)位電路框圖。在正常工作時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)MCU產(chǎn)生的喂狗信號(hào)是否在一定時(shí)間內(nèi)翻轉(zhuǎn)，如果喂狗信號(hào)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，MAX706定時(shí)器的計(jì)數(shù)清零，重新計(jì)時(shí)；如果喂狗信號(hào)沒(méi)有產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。上述過(guò)程如此重復(fù)循環(huán)。掉電檢測(cè)電路利用MAX706內(nèi)部電壓比較器實(shí)現(xiàn)，外圍配合線路電壓采樣電路以及掉電延時(shí)電路，在選取好線路電壓采樣電路的分壓電阻阻值后，在掉電過(guò)程中分壓電壓到達(dá)MAX706比較門檻電壓，會(huì)使MAX706產(chǎn)生掉電信號(hào)，同時(shí)為在掉電時(shí)爭(zhēng)取到盡量長(zhǎng)的存數(shù)時(shí)間，通常還配備比較大的延時(shí)電容。工作電源電壓檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)工作電源狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)電壓低于2．7V時(shí)，產(chǎn)生低電平信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)掉電判斷電路與復(fù)位控制電路的作用后，可使MCU復(fù)位，避免電能表在非掉電狀態(tài)、僅因?yàn)楣ぷ麟妷簭?qiáng)烈波動(dòng)時(shí)進(jìn)入非正常狀態(tài)。
在掉電時(shí)，ZHl7X6的pFI管腳檢測(cè)到在R5，R3的分壓電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器發(fā)出掉電通知信號(hào)。在發(fā)出掉電通知信號(hào)與完全掉電的時(shí)間段內(nèi)，上電檢測(cè)信號(hào)，控制喂狗信號(hào)檢測(cè)電路及上電延遲電路均不工作，不產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。并且，當(dāng)pFI監(jiān)測(cè)到掉電信號(hào)時(shí)，ZHl7X6馬上進(jìn)入低功耗模式。此時(shí)芯片內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器關(guān)閉，芯片引腳輸出和引腳輸出都為高電平(無(wú)論此時(shí)pFI引腳檢測(cè)電壓是否高于1．25V)，芯片總的工作電流為1μA。
片內(nèi)比較器比較VBB經(jīng)R6，R7分壓后的電壓與片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，當(dāng)分壓后的電壓小于片內(nèi)基準(zhǔn)電壓時(shí)，ZHl7X6認(rèn)為工作電壓發(fā)生異常，馬上輸出強(qiáng)制復(fù)位信號(hào)，通過(guò)此方法實(shí)現(xiàn)對(duì)工作電源電壓檢測(cè)的功能。
圖4中的VBB，是電表工作電壓3．3V(V33)與電池BTl經(jīng)過(guò)雙二極管Q1比較后得到的工作電壓。在正常運(yùn)行時(shí)，使用V33供電；當(dāng)發(fā)生掉電時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換成電池供電。ZHl7X6在3V的工作電壓下的正常工作電流為5μA；在低功耗模式下僅有1μA。使得ZHl7X6完全可滿足在電子式電能表發(fā)生掉電時(shí)，電池供電的低功耗運(yùn)行條件。表3為圖4所需的器件。
由于集成度高，ZHl7X6僅需少量外圍元器件。表3給出了圖4原理圖的整個(gè)電路所需要的4種約15顆元器件，總計(jì)37個(gè)焊點(diǎn)以及約21mm×10mm的印制板面積。對(duì)比之下，圖2所示框架以MAX706為核心的復(fù)位電路，總共需要7種約31顆元器件，總計(jì)85個(gè)焊點(diǎn)以及約26mm×28mm的印制板面積(如表2所示)。比較后可以清晰看到，基于ZHl7X6的復(fù)位監(jiān)控電路所需的外圍元器件、焊點(diǎn)以及印制板的面積比基于MAX706的電路分別減少了約51％，55％和71％。外圍器件數(shù)量和焊點(diǎn)的減少以及pCB布板的簡(jiǎn)化，使得電子式電能表成本大幅降低，同時(shí)還大大降低電表出現(xiàn)故障的幾率，提高了電表可靠性。
2結(jié)語(yǔ)
珠海中慧微電子有限公司推出的ZHl7X6低功耗電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)保護(hù)芯片系列，在提高電子式電能表穩(wěn)定性、可靠性的同時(shí)，極大簡(jiǎn)化了電子式電能表的復(fù)位監(jiān)控電路，降低了電表成本。在ZHl7X6面世之初，即被國(guó)內(nèi)某著名電表企業(yè)密切關(guān)注。zHl7X6正式發(fā)布后，該公司立即與珠海中慧微電子有限公司達(dá)成合作意向。對(duì)ZHl7X6進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月的嚴(yán)格檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)試掛，ZHl7X6在電表EMC實(shí)驗(yàn)、型式實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試掛時(shí)表現(xiàn)異常的穩(wěn)定，以最優(yōu)的性價(jià)比，最終成功應(yīng)用于該電表企業(yè)的三相多功能電表上，并以巨大優(yōu)勢(shì)逐步完全取代現(xiàn)有電路。
