电子式电能表使用铁电存储器(F-RAM)的缘由

自从1889年匈牙利工程师 Otto Blathy 发明全世界第一个电能表 (瓦特瓦时表)原型之后，电能表经过一个世纪多的演进：由机械式电表到今日的各种不同型式的电子电能表，包含新的预付费电能表 (pre-paid) 复费率电能表 以及具有双向通讯能力的电子式电能表等，其提供的扩展功能包括：自动读表(AMR)、线上查询、远程连接/断开，以及复杂的计费结构等等。这些电能表还可让使用者对其耗电量有更好的控制，以便节省电费及更有效地分配用电量。

如图1所示，电子电能表的基本架构包括下列各主要功能模块：电压电流取样电路;16位以上分辨率的ADC;计量与控制单元;通信接口;操作界面;显示器;存储器。本文将以存储器为重点说明为何电子式电能表需要使用铁电存储器(F-RAM)。

铁电存储器的技术特点

首先要说明的是铁电存储器和浮动栅存储器的技术差异。现有闪存和EEPROM都是采用浮动栅技术，浮动栅存储单元包含一个电隔离门，浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。浮动栅是由一个导电材料，通常是多芯片硅层形成的 (如图2所示)。浮动栅存储单元的信息存储是通过保存浮动栅内的电荷而完成的。利用改变浮动栅存储单元的电压就能达到电荷添加或擦除的动作，从而确定存储单元是在 ”1”或“0” 的状态。但是浮动栅技术需使用电荷泵来产生高电压，迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦写延迟。高写入功率和长期的写操作会破坏浮动栅存储单元，从而造成有限的擦写存储次数(例如：闪存约十万次，而EEPROM则约1百万次)。

铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器，是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体，如图3所示。当一个电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在低能量状态I位置，反之，当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。铁电畴在电场下反转所形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器。

图1、电子电能表的基本电路方块图。

图2、浮动栅存储单元

图3、铁电存储器结晶单元。
　特别是当移去电场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，因此可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在 ”1”或 “0” 状态。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在 ”1”或 “0” 的状态;也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏。所以，与闪存和EEPROM 等较早期的非易失性内存技术比较，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。

应用范例

下面以0.2级三相电能表为例来说明为何电子电能表需要使用F-RAM存储器。首先要说明电能表0.2级的定义，所谓0.2级是指测量精度每千瓦小时 (KWH) 需小于0.2% 的误差，相对来说如果是0.5级则是指指测量精度每千瓦小时 (KWH)需小于0.5% 的误差。其次要说明国家电网对0.2级三相电能表的用电数据存储规范。如下列范例所示，其存储内容分为“用电数据及事件记录”两部份：

1. 用电数据存储:

* 数据保存: 存储器需保存包括12个月的总电能和各费率的电能数据, 包括有功、无功功率;有功、无功总电能;四象限无功总电能以及正反向有功、无功总电能、组合有功、组合无功1、组合无功2、等等共16个项目，每一项目需4字节，12个月共( 4字节x 16项 x 12月= 768字节)。

* 负荷记录存储: 存储器空间应保证在记录正反向有、无功总电能、组合有功、组合无功1、组合无功2、等等共6个项目，每一项目需4字节，时间间隔为1分钟的情况下、可记录不少于30 天的数据容量，最长时间间隔为1分钟， 以60分钟间隔来计算其数据量为 ( 4字节x 6项 x 24小时x 30天 = 17,280 字节)。

2. 事件记录存储: 内容则包括最近10 次编程时间;需量清零时间;校时事件;A、B、C相失压起始及恢复时间;A、B、C 相断相起始及恢复时间;电流不平衡起始及恢复时间和事件期间的各项电能增量共6大项801字节。

不包含负荷记录，上述数据量相加起来最低存储器需求就有1,569 字节 (12.51千位)，若再加上第三点的负荷记录存储缓冲，其数据量则高达18,849 字节