Системы-на-кристалле компании Maxim для счетчиков электроэнергии и систем мониторинга

Роман Горелков (Maxim Integrated Products)
Статья знакомит с функциональными особенностями архитектуры интегральных микросхем (ИС) компании Maxim, предназначенных для построения интеллектуальных счетчиков электроэнергии и систем ее мониторинга, а также новыми возможностями изделий для счетчиков электроэнергии четвертого поколения (71M654x).

С целью сокращения времени вывода новых изделий на рынок и снижения их стоимости, производители счетчиков электроэнергии постоянно повышают требования к уровню интеграции ИС. Инновационная архитектура систем на кристалле компании Maxim для счетчиков электроэнергии и систем мониторинга обеспечивает лучшие в классе метрологические и точностные характеристики при минимальной стоимости. Изначально эти микросхемы выпускались компанией Teridian, которая была основана в 1972 г. под именем Silicon Systems. В 1996 г. она вошла в состав корпорации TDK и была известна как TDK Semiconductor Corp. В 2005 г. компания вновь обрела самостоятельность и получила новое имя - Teridian Semiconductor Corp. В мае 2010 г. компания была приобретена компанией Maxim Integrated Products, Inc.

Обзор архитектуры ИС для счетчиков электроэнергии

Микросхемы Maxim для применения в интеллектуальных счетчиках электроэнергии представляют собой т.н. «систему-на-кристалле» (SoC - system-on-chip), содержащую в себе все функциональные блоки, необходимые для построения счетчика: аналоговую часть, два процессорных ядра, датчик температуры, часы реального времени, драйвер ЖКИ, два UART'а, аппаратный сторожевой таймер и т.д. Схематически архитектура системы-на-кристалле изображена на рис. 1.

Рис. 1. Архитектура системы-на-кристалле Maxim для счетчиков электроэнергии

Аналоговая часть состоит из входного мультиплексора, осуществляющего коммутацию входных сигналов, и одного 22-разрядного дельта-сигма АЦП, осуществляющего дискретизацию входных сигналов. Данное архитектурное решение запатентовано компанией Teridian под названием "Single Converter TechnologyTM" и отличается от конкурирующих решений с применением нескольких параллельных АЦП для оцифровки входных сигналов. Количество коммутируемых мультиплексором сигналов зависит от применения ИС в 1-фазном или 3-фазном счетчике (от 3 до 7).

Далее выборки АЦП в цифровом виде обрабатываются специализированным 32-разрядным цифровым сигнальным процессором (так называемым "Compute Engine" или CE), который производит все вычисления метрологических параметров - напряжения, тока, активной и реактивной энергии, частоты в соответствии с программой в флэш-памяти. Вторым вычислительным узлом является стандартный микроконтроллер 8051-архитектуры (один такт на инструкцию) с сопутствующей периферией, необходимой для построения интеллектуального счетчика электроэнергии (часы реального времени, драйвер ЖКИ, линии ввода-вывода, два UART'а, флэш-память, датчик температуры, схемы управления батареей и др.). Кроме метрологической информации Compute Engine генерирует служебные прерывания, а также может передавать информацию о пропадании или «проседании» входных напряжений.

Как видим, данная архитектура является достаточно универсальной и позволяет с минимальными затратами осуществлять адаптацию в соответствии с требованиями потребителя. Причем метрологическая часть может быть переконфигурирована в случае, если у заказчика возникают специфические требования (например, расчет гармонических составляющих тока, напряжения или энергии).

Преимуществами данной архитектуры являются:

• Минимальная стоимость системы благодаря использованию системы-на-кристалле (минимизированы как перечень дополнительных внешних компонентов, так и занимаемая площадь печатной платы).
• Минимальные стоимость разработки и время выхода на рынок (полностью программируемая платформа, богатый набор периферии).
• Минимальный риск разработки (программируемые метрологические алгоритмы, широкий динамический диапазон, различные опции размера встроенной флеш-памяти программ от 8 кбайт до 256кбайт).
• Лучшие в классе метрологические и точностные характеристики (зависимость от температуры и нагрузки, программируемые механизмы компенсации нелинейности датчиков).

На рисунке 2 приведена блок схема 3-фазного счетчика электроэнергии на ИС 71M65xx.

Рис. 2. Блок-схема 3-фазного счетчика электроэнергии на базе 71M6533/71M6534

Сравнительные характеристики ИС первого-третьего поколений для счетчиков электроэнергии

На рис. 3 представлено семейство микросхем для счетчиков электроэнергии, включающее в себя как уже выпускаемые продукты, так и разрабатываемые компанией в настоящее время.

Рис. 3. ИС для счетчиков электроэнергии компании Maxim

В таблице 1 приведены основные параметры этих микросхем.

Таблица 1. Основные параметры систем-на-кристалле Maxim для счетчиков электроэнергии

Их подразделяют на поколения, внутри каждого из которых ИС имеют сходную структуру, отличаясь незначительными параметрами функциональных блоков. Рассмотрим ИС каждого поколения отдельно.

1-е поколение: 71M6511/H, 71M6513/H. Данные ИС, производство которых началось еще в 2005 г., представляют собой базовые системы-на-кристалле для построения интеллектуального счетчика среднего уровня (71M6511/H - однофазного, 71M6513/H - трехфазного). Среди ИС 1-го поколения также присутствует и 71M6515H - только метрологическая часть 71M6513H (AFE - Analog Front End), предназначенная для построения 3-фазных счетчиков электроэнергии с дополнительным процессорным ядром.

2-е поколение: 71M6521BE/DE/FE. ИС 2-го поколения предназначены для построения однофазных интеллектуальных счетчиков эконом-класса. Предлагается несколько опций этой ИС с различным объемом флеш-памяти начиная с 8 кбайт (71M6521BE, без RTC), 16 кбайт (71M6521DE) и заканчивая 32 кбайт (71M6521FE). В соответствии с пожеланиями заказчиков в данные ИС были добавлены несколько дополнительных возможностей, расширяющих область их применения (оптический модулятор 38 кГц, аппаратно реализованное мигание сегментов ЖКИ и различные параметрические улучшения). В этом поколении реализованы гибкие батарейные режимы, позволяющие ИС при пропадании основного питания перейти в один из трех энергосберегающих режимов (BROWNOUT, LCD и SLEEP) с сохранением части функциональности. В режиме BROWNOUT измерительная часть отключена, а процессорное ядро работает на сниженной частоте 28,7 кГц, позволяя сохранить необходимые данные в энергонезависимую память или передать биллинговую информацию системе сбора, а уже затем перейти в более экономичный режим LCD или SLEEP. В режиме LCD отключено и процессорное ядро, работают только часы реального времени с возможностью отображения информации на ЖКИ (накопленное энергопотребление) с двумя мигающими сегментами. В режиме SLEEP работают только часы реального времени. В дополнение, ИС может "проснуться" из режимов LCD или SLEEP по внешнему событию (например, срабатыванию датчика снятия крышки счетчика/клеммного блока или нажатию кнопки) и, проделав действия в соответствии с программой заказчика (передать данные, зафиксировать вскрытие корпуса и т.д.), опять "уснуть". Те же действия ИС может производить автоматически по встроенному программируемому таймеру в зависимости от выдвигаемых требований.

3-е поколение: 71M6531D/F, 71M6532D/F (для однофазных приложений) и 71M6533/H, 71M6534/H (для трехфазных приложений). ИС 3-го поколения представляют собой дальнейшее развитие в сторону дополнения функциональности счетчиков за счет увеличенного объема флеш-памяти (128...256 кбайт), возможности использования ЖКИ с большим количеством сегментов (см. табл. 1) или управления большим числом периферийных устройств. Микросхемы этого поколения имеют опцию корпуса с увеличенным количеством выводов (71M6532 - LQFP-100, 71M6534- LQFP-120). Из прочих усовершенствований необходимо отметить увеличенную до 10 МГц частоту процессорного ядра, расширенный обьем ОЗУ (4 кбайт) с совместным доступом CE и MPU, сниженные параметры потребления в энергосберегающих режимах, дифференциальные входы АЦП (71M6532, 71M6533, 71M6534), а также дополнительный вход АЦП для контроля тока в нейтральном проводе в трехфазных приложениях с целью предотвращения хищений электроэнергии.

Функциональные особенности микросхем четвертого поколения

В настоящее время часть ИС 4-го поколения семейства уже запущена в массовое производство, а к концу 2011 г. планируется запустить массовое производство всех представленных ИС 71M654x. Эти ИС предназначены для построения как бюджетных интеллектуальных счетчиков электроэнергии, так и счетчиков среднего и высокого уровня. При разработке этих ИС был учтен значительный опыт и пожелания потребителей, накопленные в ходе реализации проектов на базе ИС первых трех поколений. В ИС 4-го поколения реализована революционная технология, позволяющая построить счетчик электроэнергии с применением шунтов вместо традиционно используемых трансформаторов тока или катушек Роговского. Рассмотрим дополнительные функциональные особенности микросхем серии 71M654x подробнее.

1. Возможность работы с шунтами посредством дополнительной ИС интерфейса шунта. Данная опция реализована следующим образом: входы ИС 71M654x могут работать в двух режимах - аналоговом и цифровом. В аналоговом режиме входной сигнал поступает на вход АЦП для последующей его оцифровки и обработки CE (аналогично ИС предыдущих поколений). Для работы в цифровом режиме входы ИС могут быть сконфигурированы как выводы двунаправленного последовательного интерфейса для связи через импульсный трансформатор с ИС интерфейса шунта 71M6xxx. В данной конфигурации гальваническая развязка между ИС обеспечивается с помощью импульсного трансформатора, служащего для передачи данных в обоих направлениях. Кроме того, ИС 71M654x генерирует импульсы, которые, будучи выпрямленными на стороне ИС интерфейса шунта, служат для нее источником питания. Эта технология позволяет изготовить однофазный счетчик, использующий в качестве датчиков тока два шунта (в проводах фазы и нейтрали) или трехфазный счетчик, использующий три или четыре шунта (с дополнительным датчиком тока нейтрали). Соответствующие ИС интерфейса шунта содержат в себе усилитель с фиксированным коэффициентом усиления (в зависимости от максимального тока - доступны варианты на 60, 100 и 200 А), 22-разрядный дельта-сигма АЦП и вспомогательные периферийные блоки (интерфейс связи с основной ИС, источник питания, термодатчик), и выполнены в миниатюрном корпусе SO-8.
2. Датчики температуры и напряжения батареи независимы от основного АЦП.
3. Механизм термокомпенсации часов реального времени, функционирующий во всех батарейных режимах работы. ИС предыдущих поколений имели программируемый механизм компенсации температурного ухода RTC по сигналу встроенного термодатчика. Поэтому, поскольку в батарейных режимах (при отсутствии внешнего питания) АЦП отключен, термокомпенсация RTC также отключалась. В ИС 4-го поколения термокомпенсация не отключается, т.к. основной АЦП для оцифровки сигнала термодатчика не используется.
4. Частота работы процессорного ядра в батарейном режиме программируется вплоть до полной тактовой частоты 5 МГц (по сравнению с ИС предыдущих поколений, имевших тактовую частоту в этом режиме 28,7 кГц). Это позволяет более быстро обрабатывать события при отсутствии основного питания (вскрытие корпуса, снятие данных и т.д.) и сэкономить энергию встроенной батареи.
5. Больше источников «пробуждения» ИС из спящих режимов. В дополнение к источникам пробуждения ИС, реализованным во 2-м и 3-м поколениях (таймер, вывод PB), добавлены еще несколько - входы UART (RX, OPT_RX) и несколько портов ввода-вывода, что предоставляет большую гибкость при разработке.
6. Драйвер ЖКИ с поддержкой шести общих (common) сигналов, позволяющий подключить высокоинформативные индикаторы (более 300 сегментов).
7. Два входа батарей (VBAT, VBAT_RTC) - один предназначен для питания исключительно RTC, а второй - для пользовательских задач. Это позволяет избежать потерь данных RTC при разряде основной батареи (например, при «зажатии» кнопки пробуждения с целью мошенничества).
8. Различные параметрические улучшения: снижение потребляемой ИС мощности до 15 мВт в рабочем режиме (что позволяет использовать конденсаторный источник питания мощностью 4 ВА), возможность работы со сниженной частотой выборок АЦП, два дополнительных источника прерывания от CE (для выстрого детектирования пропадания напряжения), улучшенная топология кристалла и разводка выводов для борьбы с помехами и т.д.

Образцы микросхем 4-го поколения, а также демонстрационные платы для оценки параметров решения и ускорения цикла разработки доступны для заказа. Уже начата работа по разработке ИС 5-го поколения, предназначенных для высокоинтеллектуальных счетчиков электроэнергии самого высокого уровня и с поддержкой различных интерфейсов передачи данных с внешними устройствами сбора (DLMS, SFSK, TCP/IP и проч.).

Решения для мониторинга электроэнергии

Одним из направлений развития решений для счетчиков электроэнергии стали микросхемы для мониторинга электроэнергии, предназначенные для встраиваемых приложений с целью измерения параметров потребления самого устройства (или его узла) и передачи данной информации основному процессору системы. Структура ИС данного семейства аналогична (та же система-на-кристалле), однако, для упрощения задачи, разработчикам не требуется написание кода (ИС поставляются предварительно запрограммированными). Перед разработчиком стоит только задача подключения обвязки (шунт, кварцевый резонатор и т.д.) и подключения к основному процессору системы по встроенному интерфейсу (UART, SPI, PMBUS) для передачи параметров потребления (ток, напряжение, активная и реактивная мощность и т.д.). Поскольку в таком применении не требуется обеспечивать защиту от хищения электроэнергии (информация не является биллинговой), можно расширить возможности ИС в сторону увеличения количества каналов. В частности, с помощью ИС 78M6618 осуществляется одновременный контроль потребления до восьми потребителей (т.е. фактически «восемь счетчиков в одном корпусе»). Более подробно о решениях для мониторинга электроэнергии мы планируем рассказать в одной из следующих статей.

Аппаратные и программные средства поддержки

С целью ускорения разработки и оценки технических решений, предлагаемых компанией, выпускаются демонстрационные платы, представляющие собой практически готовый счетчик электроэнергии (для однофазных приложений - укомплектрованный шунтом), который можно использовать как основу для построения собственной разработки. Также предоставляется готовое ПО на уровне исходного кода С наряду с сопутствующим руководством. В дополнение к этому имеется большое количество руководств по применению (Application Notes), которые можно найти на сайте компании - www.russia.maxim-ic.com. К услугам заказчиков - высококвалифицированная поддержка со стороны команды инженеров, имеющих более чем двадцатилетний опыт разработки решений для счетчиков электроэнергии.

Заключение

Описанные в статье системы-на-кристалле компании Maxim представляют собой основу для построения интеллектуальных счетчиков электроэнергии различного уровня, начиная с бюджетного бытового счетчика электроэнергии и заканчивая промышленным счетчиком высокого класса точности (0,2%). Однокристальное решение с широким набором периферии, полностью цифровой и реконфигурируемой метрологической частью, обеспечивает минимальное время реализации проекта при низкой стоимости устройства. Благодаря используемым нововведениям, ИС 4-го поколения предоставляют больше функциональных возможностей при разработке счетчиков электроэнергии, а также, при одновременном снижении стоимости решения, обеспечивают применение шунтов как датчиков тока в приложениях, где ранее могли использоваться только традиционные трансформаторы тока или катушки Роговского.