一種低功耗的電子式電能表電源監控芯片

摘 要:介紹了一種自主研發的低功耗單片電子式電能表掉電監測及復位芯片ZH17X6，提出單片復位監控芯片ZH17X6在電子式電能表掉電監測以及系統復位的實際應用。并通過對比現有電子式電能表的常用電路，體現ZH17X6系列芯片在電子式電能表掉電監測以及系統復位等應用中低功耗、低成本、高集成度、高可靠性的優勢，展示出ZH17X6在電子式電能表領域廣泛的應用前景。

關鍵詞:ZH17X6; 復位監控電路; 掉電監測; 電子式電能表

中圖分類號:TN911; TP274 文獻標識碼:A 文章編號:1004-373X(2010)14-0205-03

Power-supply Supervisory IC for Low-power Electronic Energy Meter

WU Hai-qiang1，2， TANG Zhen-zhong2， SHI Qian2 ， MA Hui2， XU Yong-ping3

(1. School of Information Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， China;

2. Zhuhai ZhongHui Microelectronics Co. Ltd.， Zhuhai 519020， China;3. Electrical and Computer Engineering， National University of Singapore， Singapore)

Abstract: A new self-developed low-powerpower supply supervisory IC--ZH17X6 is introduced， and its application in electronic energy meters is proposed. ZH17X6 series can be used for power-down monitor and system reset in the electronic energy meters. Compared with the similar circuits which are currently used in the electronic energy meters， due to the CMOS technology.ZH17X6 has the advantages of low power， low cost and robustness. A typical application circuit based on ZH17X6 for power-down monitor and system reset in the electronic energy meter is also included.

Keywords: ZH17X6; reset monitoring circuit; power-down monitoring; electronic energy meter

0 引 言

現代電子式電能表對系統穩定及掉電存數等有著異常嚴格的要求，掉電監測及復位電路是整個電表中最基本又極為關鍵的部分。目前國內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測及復位電路的核心，使用該監控電路來監測系統是否掉電、監控MCU是否正常運行。但因為MAX706等在上電或掉電到4.4 V以下都有復位信號，而且復位信號輸出時間不可控制，這很可能會影響到電表的掉電監測以及存數[1]。同時電能表頻繁上、掉電，以及電源干擾信號很大時，就會引起反復復位造成電能表中數據被破壞，影響電能表的可靠正常運行。這關系到電表計量的準確性以及系統運行的穩定及可靠性。

目前眾多廠家為解決上述問題，都專門圍繞MAX706等看門狗IC增加額外的外圍電路來提高掉電監測及復位電路的穩定性和可靠性。但復雜的額外電路帶來了成本的增加，PCB布線難度的增加以及器件與焊點增多帶來的可靠性降低的風險。

針對電子式電能表嚴格的復位監控功能，珠海中慧微電子有限公司推出了ZH17X6系列，它是一款低功耗電源管理數據保護芯片。

ZH17X6的主要特點是低功耗、高集成度和高可靠性[2]:

ZH17X6具有-40～+85 ℃的工業級工作溫度、1.8~5.5 V的超寬工作電壓;工作在5 V下10 μA、工作在3.3 V下5 μA以及低功耗狀態下低至0.2 μA的工作電流;在系統上電、復位按鍵按下的情況下，芯片能夠保證輸出準確可靠的復位信號;其內部的看門狗電路能監視微處理器的運行，當 1.6 s內輸入信號的狀態沒有改變時將發出復位信號;具有更加可靠的掉電監測功能。在檢測到掉電信號時迅速通知MCU保存數據并且控制復位信號延時發出，可以防止數據因掉電而丟失。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[3]，使ZH17X6系列芯片可以廣泛應用在醫療電子、工控儀表和消費類便攜式電子等產品上;不低于4.5 kV的ESD防護，提高系統的可靠性;監測供電電源異常抖動并提供強制復位功能，大大提高系統工作的穩定性;所有功能集中在8引腳的SOP封裝上(封裝尺寸為5 mm×5 mm)，性價比極高。ZH17X6系列芯片工作電壓見表1，ZH17X6引腳說明見表2和圖1。

表1 ZH17X6系列芯片工作電壓一覽

版本 溫度范圍/℃電壓范圍 /V封裝

ZH1706-40～+851.8~3.68-SOP

ZH1716-40～+85 1.8~5.58-SOP

ZH1726-40～+85 3.0~5.58-SOP

表2 ZH17X6引腳說明

引腳名稱功 能

1WDI喂狗信號，在芯片正常工作時喂狗信號需要在1.6 s內翻轉，否則RESET輸出信號將輸出200 ms的復位脈沖，喂狗信號能被PFI信號屏蔽，只有MR和PFI高于1.25 V時看門狗電路才正常工作。

2PFI掉電檢測信號，當PFI信號低于1.25 V時PFO為低，否則PFO信號為高。當PFI從低到高變化，延遲1.6 s后輸出200 ms復位信號。

3 MR Vref輸入信號低于1.25 V時，強制RESET輸出信號為低。

4 STB低功耗模式選擇電壓信號，當VIN高于1.25 V時產生門控時鐘信號。

5 GND電源地。

6PFO 掉電通知信號，低電平有效。

7 RESET 復位信號，低電平有效。

8 VDD芯片工作電源。

圖1 ZH17X6 引腳說明

1 基于ZH17X6單片掉電監測及復位電路原理應用

圖2是MAX706為核心的電表掉電檢測及復位電路框圖[4] 。在正常工作時，檢測系統MCU產生的喂狗信號是否在一定時間內翻轉，如果喂狗信號產生翻轉，MAX706定時器的計數清零，重新計時;如果喂狗信號沒有產生翻轉，則產生復位信號[5]。上述過程如此重復循環。掉電檢測電路利用MAX706內部電壓比較器實現，外圍配合線路電壓采樣電路以及掉電延時電路，在選取好線路電壓采樣電路的分壓電阻阻值后，在掉電過程中分壓電壓到達MAX706比較門檻電壓，會使MAX706產生掉電信號，同時為在掉電時爭取到盡量長的存數時間，通常還配備比較大的延時電容。工作電源電壓檢測信號檢測工作電源狀態，當系統電壓低于2.7 V時，產生低電平信號。該信號經過掉電判斷電路與復位控制電路的作用后，可使MCU復位，避免電能表在非掉電狀態、僅因為工作電壓強烈波動時進入非正常狀態。

圖2 基于MAX706的掉電檢測及復位電路框架圖

圖3是基于ZH17X6的電表掉電檢測及復位電路框架圖[3，6] 。圖2中核心看門狗芯片的所有外圍電路，都高度集成在一顆ZH17X6上。比較后可以看出，在保證電路穩定性和可靠性的基礎上，ZH17X6極大地簡化了如圖2所示的電子式電能表的復位監控電路，從而使以它為核心的復位監控電路(如圖4)，在實際應用中具有很高的性價比。

圖3 基于ZH17X6的電表掉電檢測及復位電路框架圖

圖4 基于ZH17X6 的掉電檢測及復位電路

在掉電時，ZH17X6的 PFI管腳檢測到在R5，R3的分壓電壓低于基準電壓時，比較器發出掉電通知信號。在發出掉電通知信號與完全掉電的時間段內，上電檢測信號，控制喂狗信號檢測電路及上電延遲電路均不工作，不產生復位信號。并且，當PFI監測到掉電信號時，ZH17X6馬上進入低功耗模式[7]。此時芯片內部時鐘振蕩器關閉，芯片RESET 引腳輸出和PFO 引腳輸出都為高電平(無論此時PFI 引腳檢測電壓是否高于1.25 V)，芯片總的工作電流為1 μA[8]。

片內比較器比較VBB經R6，R7分壓后的電壓與片內基準電壓，當分壓后的電壓小于片內基準電壓時，ZH17X6認為工作電壓發生異常，馬上輸出強制復位信號，通過此方法實現對工作電源電壓檢測的功能。

表3 圖4中所需器件列表

器件種類型號規格數量

看門狗復位芯片ADM7061

比較器略1

低功耗電壓檢測器略1

NPN三極管略2

雙頭肖特基二極管略2

貼片電阻略16

貼片電容略8

器件總計(顆)31

焊點(個)85

電路印制板約26 mm×28 mm—

圖4中的VBB，是電表工作電壓3.3 V(V33)與電池BT1經過雙二極管Q1比較后得到的工作電壓。在正常運行時，使用V33供電;當發生掉電時，則自動轉換成電池供電。ZH17X6在3 V的工作電壓下的正常工作電流為5 μA;在低功耗模式下僅有1 μA。使得ZH17X6完全可滿足在電子式電能表發生掉電時，電池供電的低功耗運行條件。表3為圖4所需的器件。

表4 圖2框架電路所需器件列表

器件種類型號規格數量

看門狗復位芯片ZH17X61

雙頭肖特基二極管Q11

貼片電阻R2~R8，R198

貼片電容C3，C13，C16~C185

器件總計(顆)15

焊點(個)37

電路印制板約21 mm×10 mm—

由于集成度高，ZH17X6僅需少量外圍元器件。表3給出了圖4原理圖的整個電路所需要的4種約15顆元器件，總計37個焊點以及約21 mm×10 mm的印制板面積。

對比之下，圖2所示框架以MAX706為核心的復位電路，總共需要7種約31顆元器件，總計85個焊點以及約26 mm×28 mm的印制板面積(如表2所示)。

比較后可以清晰看到，基于ZH17X6的復位監控電路所需的外圍元器件、焊點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%。外圍器件數量和焊點的減少以及PCB布板的簡化，使得電子式電能表成本大幅降低，同時還大大降低電表出現故障的幾率，提高了電表可靠性。

2 結 語

珠海中慧微電子有限公司推出的ZH17X6低功耗電源監控數據保護芯片系列，在提高電子式電能表穩定性、可靠性的同時，極大簡化了電子式電能表的復位監控電路，降低了電表成本。

在ZH17X6面世之初，即被國內某著名電表企業密切關注。ZH17X6正式發布后，該公司立即與珠海中慧微電子有限公司達成合作意向。對ZH17X6進行了長達10個月的嚴格檢測與現場試掛，ZH17X6在電表EMC實驗、型式實驗和現場試掛時表現異常的穩定，以最優的性價比，最終成功應用于該電表企業的三相多功能電表上，并以巨大優勢逐步完全取代現有電路。

參考文獻

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