摘要：  随着现代通信技术，计算机网络技术等技术的飞速发展，其技术含量及复杂程度也越来越高，数字化、网络化和信息化正日益融入人们的生活之中，智能化的概念也已经逐渐渗透到各行各业以及我们生活中的方方面面，其中就我们日常生活中见到的电表、水表、热表等，都在逐步走向智能化。在走向智能化的过程，总会遇到各种挑战。如何降低功耗同时又保持低成本?怎么样提高芯片可靠性，又将更多功能集成?……种种技术难点，我们总会期待看到更多有效解决方案。这一期，我们将带您一起探索电表、水表、热表这三表走向智能化的“旅程”!

关键字：  低功耗，  计量芯片，  智能三表，  半导体，  SOC

随着现代通信技术，计算机网络技术等技术的飞速发展，其技术含量及复杂程度也越来越高，数字化、网络化和信息化正日益融入人们的生活之中，智能化的概念也已经逐渐渗透到各行各业以及我们生活中的方方面面，其中就我们日常生活中见到的电表、水表、热表等，都在逐步走向智能化。在走向智能化的过程，总会遇到各种挑战。如何降低功耗同时又保持低成本?怎么样提高芯片可靠性，又将更多功能集成?……种种技术难点，我们总会期待看到更多有效解决方案。这一期，我们将带您一起探索电表、水表、热表这三表走向智能化的“旅程”!

厂商推陈出新 产品各有千秋

智能三表的出现正是迎合了全球节能减排的发展需求，因此智能三表的话题受到业界人士及厂商的关注。作为智能三表相关厂商，为了应对市场的发展，纷纷推出各自的产品，迎合用户体验需求。

华润矽科——超高隔离性能和超低功耗

华润矽科在电能计量AFE、实时钟电路RTC、LCD驱动电路、485接口电路等方面都有建树，同时华润矽科有一个超低功耗的计量SOC系列供客户选择。华润矽科研发总监罗先才举例道：“譬如在电能计量AFE方面，我们有针对国网、南网、农网、计量插座方面的系列电路，这些电路有很高的动态范围和极低的温度系数。485电路在A、B管脚具有15KV的ESD能力，在其他所有管脚都有8kV HBM的ESD水平，该性能在该系列电路中具有领先优势。”罗先才表示，计量SOC方面，华润矽科的产品在超高隔离性能和超低功耗方面也有非常好的领先优势。

华润矽科研发总监罗先才

Cirrus Logic——高性价比

Cirrus Logic 作为一家坚持不懈地专注于电能计量技术长达十余年的全球领先的智能电表计量芯片厂家，今年3月份推出了最新一代计量芯片系列CS548x/CS549x，覆盖一个电流通道一个电压通道(CS5490)，两个电流通道一个电压通道(CS5480)， 以及两个电流通道两个电压通道(CS5484)等不同的计量应用。其中CS5480是专门为国内智能电表市场而优化设计的。依靠Cirrus Logic在模拟和混合信号领域的技术积累，CS5480每路电压和电流通道都采用专用的ADC保证采样的精确同步， 电能计量精度在4000:1的动态范围内达到0.1%。不但具有最佳的ADC精度，极低的噪音，最佳的电能计算精度， 同时快捷的片上校准算法和宽范围的相位补偿可以极大地提高电表客户的生产效率。片上集成数字积分器，支持罗氏线圈。

Cirrus Logic电能表计量产品线销售经理Michael 表示，CS548x/CS549x的新设计和新工艺带来的极高性价比和价格竞争力，完全可以和本土的计量方案在成本上竞争，一改以前国外高端方案“质优价高”的印象。支持UART接口，只需更少的光耦器件，有效降低智能电表的隔离成本。多种技术提高芯片在恶劣环境下工作的高可靠性，提高系统抗干扰能力。另外，通过两片CS5484实现创新的低成本三相表方案。三相计量芯片的成本可以降到一个美金。

益登科技——低功耗

在智能三表应用方面，益登科技的Silicon Labs新型C8051F96x MCU、Si102x和Si103x无线MCU系列产品，是专门针对电池供电的嵌入式系统而设计，其突出特点是低功耗。与同类其他产品相比，能使系统电流消耗降低40%，电池寿命可延长高达65%。

芯海科技——高精度和高线性度

从2003年起，芯海科技从事与计量有关的IC设计已近10年。当前，在三表领域，主要提供各种单相和三相电能计量解决方案(详细如下)：在水和热计量领域，芯海也会逐步推出新的计量芯片。

盛扬半导体——低功耗、高抗噪声及高ESD防护能力

Holtek目前有HT67Fx0系列产品开始广泛运用于水表、气表，HT16C2x广泛运用于电表.。HT67Fx0是Tiny Power结构的Flash Type MCU，内建多通道的12-bit ADC转换器与LCD display driver，是一集成度高的SOC芯片，适合应用于各类表头、仪器上。HT16C2x是Holtek继业界广泛使用的LCD driver HT1621后推出的I2C介面LCD driver，具有低功耗、高抗噪声及高ESD防护能力，已经大量应用于电表上。

力合微电子——数据速率高、抗干扰性强、通信可靠

智能表计与传统表计相比最重要的特点之一是网络化，具有通信功能。力合微电子是国内电力线载波通信芯片的领先企业，作为国内首家所推出的基于窄带OFDM技术的电力线载波芯片引领国内第二代电力线载波通信应用，具有数据速率高、抗干扰性强、通信可靠等特点。电力线载波通信不需要重新布线，不需要频率规划，穿墙越壁，为智能表计提供了有效的网络和通信手段。

企业巧出妙招 为低功耗开处方

中国国网新标准规定，在电池供电的情况下，智能电表需要维持5年的正常运作，因此低功耗逐渐成为智能三表产品非常重要的技术要求。可以说，低功耗是智能三表目前的热点话题及挑战之一。在应对市场对智能三表低功耗的需求中，企业巧出妙招，为低功耗开出自己的处方。

在功耗方面，华润矽科主要通过降压和减流来降低功耗。所谓降压就是通过降低系统工作电压来达到降低功耗的目的，目前华润矽科已经推出和规划中的计量SOC电路都是工作在1.8V/3.3V模式下，这比传统的5V供电或者纯3.3V供电的系统都要分别省电50%和30%。所谓减流就是在降低工作电流上下功夫，目前通过华润矽科独具特色的硬件低功耗设计技术，软件控制低功耗工作模式，以及降低重要模块如RTC模块工作电流的方法，使得系统在电池供电情况下功耗能进一步减少10-20%。

深圳芯海科技有限公司总工程师李向锋认为，“低功耗”一直是困扰“三表”行业的难题。芯海目前在低功耗领域已经积累了丰富的经验，采用自主RISC内核的SOC在太阳能秤、脂肪秤、便携式医疗器械等方面大量应用。今后，芯海会逐步将低功耗技术向智能电表领域转化。

盛扬半导体产品二处李文义处长

“我们要特别强调， HT67Fx0系列是采用Tiny Power结构设计的Flash Type MCU， 支持Normal， Slow， Idle， Sleep四种工作模式， ”盛扬半导体产品二处李文义处长表示，“系统频率可以高低频切换， 达到最低功耗最高工作效能. HT16C2x也是低功耗的peripheral IC， 都非常适合用在电池操作的系统中。”

为了实现同类产品最低功耗和最优化无线连接，Silicon Labs F96x和Si102x/3x系列产品实现了三个主要的系统级创新：

a. 针对电池供电系统提供极佳的能量转换效率。来自电池的能量转换效率越高，作为热消耗的能量就越少，从而降低系统功耗并延长电池寿命。F96x和Si102x/3x系列产品片上DC-DC降压转换器与线性稳压器相比有很高的电压转换效率，能量转换效率可高达85%。片上降压转换器可提供高达250mW的输出功率，不仅为系统中的MCU提供能量，也可以为其他系统提供能量。Silicon Labs是首家把省电型DC-DC降压转换器集成到MCU的半导体公司，这不仅带来极佳的能量转换效率，也能减少器件数量和BOM成本;

b. 减少工作模式时间。由于MCU在工作模式下消耗功率最大，因此F96x和Si102x/3x芯片采用多种创新，以减少在活动模式下的运行时间。芯片上带有硬件加速模块的专用分组处理引擎(DPPE)使RF消息处理速度提高五倍，并允许CPU在转换过程中处于空闲状态，从而减少CPU工作时间和电池的电流负载。 MCU还具有低功率脉冲计数器，可在CPU休眠模式下自主运作。片上脉冲计数器尤其适用于公用仪表应用，可使用脉冲序列或开关切换监测流体流量;

c. 降低休眠模式功耗。新型MCU集成了业界最低功耗实时时钟(RTC)，休眠模式下比其他MCU功耗降低40%。在3V供电电压下，MCU仅需400nA休眠电流(RTC运行)或70nA休眠电流(RTC没有运行)。此外，在最小供电电压下，具有超低的10nA休眠电流模式。MCU还提供业界最快的2μs休眠唤醒时间。依靠最先进的低功耗设计技术，基于F96x和Si102x/3x系列产品的系统能支持长达20多年的电池寿命。

通过持续不断的减少系统整体功耗，此系列MCU能帮助开发人员减少使用在嵌入式系统中的电池尺寸和成本，显着延长电池寿命，同时也带给终端产品业界领先的RF性能。

深圳市力合微电子有限公司总经理刘鲲

低功耗半导体技术和工艺发展很快，从微米提高到纳米级，可提供各种功耗等级。同时，芯片的低功耗设计也很重要。深圳市力合微电子有限公司总经理刘鲲博士指出，要切实根据实际应用对芯片或电路模块的功耗要求，去优化芯片的设计，并选择合适半导体工艺进行芯片的生产，以满足实际应用所要求的指标。

可靠性、全电子化、集成化 需多管齐下

与传统机械式三表不同，智能三表是全电子式，计量芯片是智能三表主要的半导体器件，其可靠性一直受到企业和用户的高度重视。

如何提高三表整机计量的可靠性?罗先才认为，这需要在设计之初就做好可靠性设计，同时也需要一起特别关注各元器件在抗温度、湿度变化、抗静电、抗电磁干扰、寿命等方面的性能差异。在这方面，业内有些公司起步比较晚，有些公司起步比较早。华润矽科公司则早已建立有一整套完整的质量管控体系，每个产品都经过严格的可靠性设计，可靠性测试考核方能进入市场。华润矽科有近30年的研发历史和10多年的计量产品研发、量产经验。

深圳芯海科技有限公司总工程师李向锋

无论是水、电、气、热中的哪一类仪表，目前全电子化的趋势非常明显。李向锋分析道，针对智能电表类产品，为了提高产品的可靠性，除了需要加强设计、制造、材料选择方面的质量控制以外，还应参照可靠性设计工程的要求，建立产品故障树(FTA)，进行各部分的失效模式和后果分析(FMEA)，并参照IEC62059系列标准对可靠性进行预计和评估。目前，IEC62059系列标准已经被国标等同采用为GB/T17215.9xx-2011。热量表、水表等，目前尚没有成熟的可靠性标准进行规范，但也可以参照该标准。

计量芯片的可靠性，与下列因素密切相关：通过充分的市场调研，达到对计量原理和整表相关标准的深刻理解;严格的设计流程管理，以及对集成电路设计和工艺的经验积累;电磁兼容性设计技术;充分的芯片设计过程验证和整机型式试验;IC制造过程的质量控制和筛选;完善的技术支持和服务。

芯海科技拥有一批从业经验十年至二十多年的专业队伍，在电子秤和消费电子领域每年出货数千万片，已经对IC质量控制、电磁兼容性和产品可靠性等方面积累了丰富的经验。面对激烈的市场竞争，芯海坚持立足“三表”计量开展科技创新，走“系列化、差异化”之路，想用户之所想，急用户之所急，用一流的品质和无缝的服务，持续为用户创造价值。

电能计量是一个特殊的领域，要求对智能电表的相关标准和要求非常熟悉，同时还要有一个试用过程，对芯片的可靠性要求非常高。芯海的CSE775X系列，已经出货数千万颗;符合国网标准的防窃电单相计量芯片----CSE7780已经通过了国内数十个厂家的自测及中国电科院及其他第三方机构的检测，已有数十万只采用CSE7780的智能电能表在现场运行累计半年以上。

而Holtek一贯的品牌形象就是品质好、可靠度高，多年来所提的的IC均是工规等级，工作温度范围-40~+85度C，所有IC开发时均需通ESD human body mode 5KV与machine mode 600V验证，确保产品稳定可靠。

目前智能电表计量芯片技术相对成熟，技术门槛也在降低，市场参与者数量较三年前大大增加。除了基本计量功能，产品的可靠性和一致性越来越重要，这也是电表客户越来越重视的性能。样表也许都能通过测试和送检，但大批量生产和现场长时间挂表后是否保持良好的可靠性和一致性?作为带计费结算功能的工业品，这一点对电表至关重要。除了芯片的设计外，产品的晶元生产工艺、后期封装测试以及贯穿全程的质量控制，都是计量芯片可靠性和一致性的关键保证。Cirrus Logic作为全球领先的模拟和混合信号方案供应者，和业内领先的晶元生产、封测厂家建立了紧密的合作伙伴关系，并共同开发了先进的质量控制体系和技术。2010年Cirrus Logic全球销售了3亿多片芯片。近3年来，平均DPPM (Defect part per million 每百万的缺陷数) 小于1。

刘鲲强调，对于三表而言，“电子式”并不等于“不可靠”。关键还是切实根据可靠性的指标要求，认真地进行软硬件的设计。不能在价格压力下，以牺牲可靠性为代价追求低成本。

另外，集成化是也一直业界探讨热门话题，存储和无线抄表方案也走向集成，然而对于集成计量芯片业界态度比较谨慎。

“更高的集成度是发展趋势，也是一个过程。集成化与标准化是分不开的。当标准还没有完全确立前，分立化的设计比较灵活。当标准完全确立后，就可以完全集成了。目前技术不是问题，而是标准也没有确定。”刘鲲说道。

罗先才认为，集成化发展一定会成为一个主流，但是需要多长时间的发展视乎我国国情，以及市场的接受程度。成熟稳定的模块具有较好的可集成性，不成熟不稳定的功能模块不要轻易集成。对于集成计量芯片，国内业界一直比较谨慎，但华润矽科非常乐观。因为华润矽科推出的带计量的SOC方案具有超高隔离性能，在目前推出的产品中具有领先优势。

而Michael却不认为将计量芯片集成到后端MCU是未来的技术趋势。考虑到高精度ADC的特别设计和工艺，与后端的MCU的数字工艺相整合，还是有一些挑战的。另外，集成计量芯片对电表的隔离方式也提出了新的要求。集成计量芯片的主要意图是带来系统成本的降低，但Michael表示，Cirrus Logic不认为集成计量芯片会必然带来成本的降低和系统设计的优化。

李文义表示，对水表与气表，MCU集成计量部份并不是问题，主要是水表与气表所用的计量部份解析度较低，通常是SOC设计，以HT67Fx0而言，就是SOC方案，集成度最高。但电表对计量芯片的要求非常高，通常需要24-bit ADC，系统也较复杂，以系统设计的角度看，将MCU与24-bit集成在一起，弹性反而降低，所以一般都是分开，LCD也是独立，所以HT16C2x系列LCD driver产品，适合用于电表，电表业者的接受度很高。

在各项标准逐步成熟的条件下，智能三表在一定阶段实现全集成还是可能的。例如：国网农网表等，全SOC的产品已经可以覆盖当前的需求。在三表计量SOC方面，芯海还是空白，当前的策略是“集中精力，专注计量”。

RFID技术有待深入

RFID是一种新兴的短距离无线传输技术。近年来，随着集成电路技术的发展，单芯片的无线数据通信IC的性能日益提高，其应用领域也在不断的扩大，其中包括家用电器，自动抄表等。RFID慢慢成为一个热点研究领域，有些企业正在积极研发RFID领域相关产品，如华润矽科。

而盛扬李文义处长表示，RFID不一定三表应用的抄表选项， 但是远距传输， 不管是有线/无线都绝对是重要指标。从小区的近程抄表透过M-bus， RS-232， RS-485，，到小区数据集中器后利用Internet / GPRS传输到局端，MCU必需有与各类介面接口的弹性，HT67Fx0具有SPI与I2C接口，可以轻易与RS-232， RS-485， M-bus， 等介面接口，是最有弹性的SOC chip。

短距离射频无线与电力线载波同属于局域网络传输技术，各有特点，是共存的两种局域通信技术，为包括自动抄表，家居智能控制，智能家电等应用提供有效的网络和通信手段。微功率射频无线需要频率规划，适合短距离视距传输(没有阻挡物);电力线载波不受阻挡，通信距离远。力合是一家通信芯片公司，公司的产品规划是为各种应用和市场需求提供局域网络传输技术、芯片和解决方案。

SOC方案是控制成本的万能良药?

目前，智能三表的竞争非常激烈，成本控制成为三表企业的一项重要指标。关于SOC方案能否有效控制成本，各企业众说纷纭。

华润矽科罗先才认为，适合三表企业自身产品定位，自身生产流程的SOC方案才是最重要的，未来具有超高隔离性能、超低功耗、高动态范围、高抗干扰性的SOC产品才能真正控制住整体成本，赢得市场。

盛扬李文义处长指出：“水表与气表目前都朝SOC方案发展，HT67Fx0规划时就是SOC的概念，整合了MCU、EEPROM、高精度ADC，并有内建LCD显示驱动，与标准的I2C与SPI接口，外部零件最少，是最佳的水表与气表SOC。但电表因较复杂，目前都采分离元件处理。”

SoC代表System-on-Chip，指将目前由多个芯片组成的系统进一步集成为单一芯片。这是发展的趋势，也是一个相对的、逐步的过程。力合刘总谈到：“例如，我司载波通信芯片都已集成了CPU，可以说是一个载波通信SoC芯片。接下来是集成更多的电路和功能。直接地，SOC方案可以减少芯片外围电路，减小PCB面积、降低生产难度等，从而有效的降低成本，增加产品在市场上的竞争力。”

芯海李向锋分析，从长远来看，激烈的市场竞争，必然导致智能三表技术向SOC方向发展。通常来说，SOC包括LCD Driver、RTC、MCU、UART、Flash ROM、ISO7816等接口部分，尤其是RTC的集成，能够显着降低系统成本，缓解RTC供应紧张的矛盾。对电池供电的三表而言，高集成度也有利于降低功耗，提高产品可靠性。

SOC的发展已经经历了十多年的历史，目前在智能电表IC方面有两种不同方向：一种是包含计量的全SOC，一种是不包括计量的半SOC。全SOC是模拟和数字混合型集成电路，从工艺上来说，模拟和数字是一对矛盾：数字电路可以通过采用90nm甚至更小的工艺来提高集成度、降低功耗、提高工作频率;模拟电路如果采用180nm以下的工艺，则漏电流会增加，影响模拟电路性能和EMC特性。

对全集成的SOC，除了增加了设计和验证难度之外，无论是芯片设计还是整机设计的技术风险都加大了，会拖延产品的上市时间。而且，如果电能计量的技术要求发生改变，会导致芯片市场适应能力下降，因此，对市场定位。近十多年，国际很多着名公司均推出过各种全SOC，失败的例子不胜枚举，成功的例子屈指可数。相对而言，MAXIM 的Teridian系列SOC是比较成功的。

对半集成的SOC，由于数字部分和模拟部分是分开的，二者可以同步发展，相得益彰。同时，无论整机还是芯片级的研发技术难度要比全SOC的低得多，验证也相对容易，产品更容易成熟。此外，半集成的SOC很容易直接覆盖三表应用，全SOC只能专用化。计量部分独立，不仅可以充分发挥功能和性能优势，有利于降低研发风险，而且线路布局更有利于EMC性能提高。

然而，Cirrus Logic不认为SOC方案是降低智能电表成本的万能良药。Michael认为，SOC方案可能在某些应用中的确能降低系统成本，但牺牲了系统配置的灵活性和一些系统性能。不同的应用对后端的MCU的资源和性能有不同的要求，SOC方案很难满足所有的应用要求，反而对电表的系统设计带来种种约束。随着性价比更高的计量芯片的推出(例如Cirrus Logic的CS5480)，伴随资源更丰富成本越来越具竞争力的MCU， AFE(计量前端) + MCU的智能电表架构不但不会被SOC方案取代，反而会在与SOC方案竞争中不断发扬光大。

如今，随着科技与社会的共同进步，人们对追求更便捷更高质的生活要求也越来越高，这也推动着科技进一步发展。与日常生活和工业息息相关的民用三表，朝着低功耗、高集成、可靠性方向不断迈进，RFID技术也不断深入，走向智能化。也许当您体验到IC卡充值等使很多工序得以简化，给您的生活带来方便时，您会发现智能时代真的离我们不远了!