Системы на кристалле Teridian Semiconductor для счетчиков электроэнергии

В последние годы в области метрологии наблюдаются значительные изменения, а новые требования, предъявляемые к устройствам, ставят перед производителями задачи, которые, увы, не могут быть решены без новых технологических подходов.

Традиционная архитектура электронных счетчиков электроэнергии, применяющихся с конца 1980-х годов, была создана на основе нескольких интегральных микросхем, которые производят измерение энергопотребления и выводят эту информацию на дисплей. Координирующая роль в такой системе отведена микроконтроллеру, а несколько АЦП вместе с сигнальным процессором с фиксированными функциями выполняют собственно измерения. Хотя такой подход и обеспечивает гибкость дизайна прибора, применение компонентов, не оптимизированных изначально для нужд метрологии, требует от изготовителя немалых инвестиций в разработку ПО, а также дополнительной экспертизы сигнального процессора для каждого отдельного дизайна. Первыми попытками создания специализированных интегральных схем для счетчиков электроэнергии можно считать использование заказных микросхем ASIC (application specific integrated circuit), совмещающих сигнальный процессор (DSP) с аналогово-цифровыми преобразователями. Однако на этом этапе интеграция до последнего времени и остановилась.

SOC против нескольких чипов

Новый подход к конструированию счетчиков позволяет удовлетворить непрерывно растущие в последние годы требования со стороны энергетиков. Ветеран рынка заказных микросхем для счетчиков электроэнергии компания Teridian Semiconductor, ранее входившая в группу компаний TDK и имеющая 16-летний опыт работы в этой области, несколько лет назад разработала и предложила для широкого круга производителей оригинальное программно-аппаратное решение полностью интегрированного в одной микросхеме счетчика. Новая разработка включает три созданные на единой платформе микросхемы: 71M6513 — предназначена для производства широкого спектра трехфазных счетчиков, 71M6511 — для реализации широкого спектра однофазных и двухфазных многотарифных счетчиков, 71M6521 — для реализации широкого спектра однофазных и двухфазных бюджетных счетчиков с функциями сохранения работоспособности при отсутствии питания. Ключевым фактором, обеспечивающим гибкость и высокую адаптивность к различным типам счетчиков, стала запатентованная Teridian Semiconductor технология с одним преобразователем Single Converter Technology. Во всех моделях микросхем использована общая архитектура, одна и та же платформа и реализован единый системный подход. На сегодняшний день подобного предложения нет ни у одного другого производителя интегральных схем.

Взгляд внутрь

На первый взгляд, семейство 71М65ХХ Teridian Semiconductor (рис. 1) является классической системой на кристалле, примеры которой уже присутствуют на рынке и представляют собой простой набор компонентов электросчетчика, интегрированных на одном кристалле.

Хотя такой уровень интеграции улучшает надежность и снижает стоимость изделия, время выхода на рынок новых счетчиков остается неудовлетворительным, так же как и отсутствие возможности выпуска широкого спектра изделий на единой платформе. На сегодняшний день на рынке есть несколько систем на кристалле, вполне сносно работающих в несложных бытовых счетчиках электроэнергии. Но их нельзя применить в других, очень емких секторах рынка. Технология с одним преобразователем Teridian Semiconductor значительно предпочтительней для производителей электросчетчиков, выпускающих широкий спектр продукции.

Эта архитектура содержит только один 21-разрядный дельта-сигма-преобразователь второго порядка, до семи мультиплексированных аналоговых входов и отдельный программируемый процессор обработки измерений (Compute Engine — CE).

Революционное решение Teridian Semiconductor впервые в промышленности позволило избавиться от одной из самых критичных проблем в измерении параметров электроэнергии — перекрестных наводок между каналами — и достичь точности лучше, чем 10 ppm/°C, при измерительном диапазоне выше 2000:1. При этом такая точность остается во всем диапазоне промышленных температур, от –40 до +85 °С, с использованием цифровой температурной компенсации, применяемой в системах на кристалле Teridian Semiconductor.

Важно также, что подстроечные коэффициенты для номинальных и высокотемпературных диапазонов могут быть жестко запрограммированы для каждой специфичной модели счетчика. Это позволяет метрологическим функциям корректировать температурные погрешности через встроенный в микросхему датчик. Эта же схема может быть расширена для коррекции температурных погрешностей внешних датчиков тока электросчетчика.

Ядром метрологической подсистемы микросхем 71М65ХХ является 32-разрядный процессор СЕ, поддерживающий все стандартные функции измерения активной и реактивной мощности и адаптированный к перепрограммированию под специфичные задачи клиента и новые требования рынка контроля за электропотреблением. Процессор СЕ, функционирующий независимо от встроенного 8-битного микроконтроллера (MPU), принимает и обрабатывает данные от 21-разрядного АЦП в очень широком динамическом диапазоне.

Гибкость и новые возможности

Следствием гибкости архитектуры систем на кристалле Teridian Semiconductor стало то, что она может поддерживать самые разнообразные конструкции и программируемые свойства счетчиков: измерение активной мощности (рис. 2), реактивной мощности, среднеквадратичной мощности и любых других существующих и возможных требуемых параметров. Также поддерживаются все известные типы датчиков тока: резистивный шунт, токовый трансформатор и катушка Роговского.

Например, на основе единой платформы 71M65XX возможны следующие конструкции:

• 1-фазная: 2 базовых входа, бытовая, с временными метками;
• 1-фазная: 3 входа, бытовая, с контролем нейтрали;
• 2-фазная: 4 входа, бытовая, с подключениям к сетям сбора данных;
• 3-фазная: 6 входов, недорогой многофазный счетчик;
• 3-фазная: 7 входов, недорогой счетчик с фиксацией событий;
• 3-фазная: 7 входов, высококлассный коммерческий и промышленный счетчик.

Защита интеллектуальной собственности

Очевидно, что в современных условиях разработчики счетчиков хотят защитить заложенные в программы идеи и оригинальные метрологические функции.

В системах на кристалле Teridian Semiconductor существует возможность решить данную проблему путем расположения оригинальных программ и метрологических алгоритмов в защищенных от считывания отделах памяти микросхемы. Еще более надежным в такой ситуации является заказ микросхем с масочной однократно программируемой памятью программ.

Рынок ориентируется на одну платформу

Необходимо отметить, что сегодня архитектура с одним преобразователем для счетчиков электроэнергии фирмы Teridian Semiconductor становится все популярнее в мире: от США до России и от Южной Африки до Европы. Когда основные производители счетчиков электроэнергии сталкиваются с новыми требованиями к продукции, они обращают свое внимание на решения, позволяющие быстрее выйти вовремя на рынок с конкурентоспособным предложением и снизить общие затраты на комплектацию. В системах на кристалле Teridian Semiconductor они видят все необходимые свойства для решения этих задач и успешно производят на единой платформе самые разнообразные счетчики — от бытового до промышленного назначения.

В России компания Teridian Semicondutor имеет официального представителя ООО «Галант Электроникс», г. Москва, ул. Стромынка 9–7, телефонфакс (496)-268-75-23, www.galant-e.ru