基于SOC方案的電能表日計時誤差控制研究

范卓霞，楊草田

（華立儀表集團股份有限公司，杭州310023）

基于SOC方案的電能表日計時誤差控制研究

范卓霞，楊草田

（華立儀表集團股份有限公司，杭州310023）

集成多個元件的SOC方案具有成本優勢，成為電能表廠家關注的一個重點，此方案采用晶振外置，日計時誤差容易受到干擾。通過對日計時誤差影響因素的分析可知，主要是受環境溫度、補償溫度及晶振老化程度等的影響，從器件選擇、布板設計、焊接工藝等方面提出了控制要求，實踐證明SOC方案的日計時誤差可以達到與獨立時鐘芯片方案同樣的精度及可靠性要求。

SOC方案；電能表；日計時誤差；可靠性控制

0 引言

電能表的功能已從開始單一的計量，發展到分時計量、階梯計費、電量凍結、數據存儲及事件記錄等多種復雜功能，需要電能表具備準確的RTC（實時時鐘）和日歷功能。自從國家電網、南方電網二大電網公司對電能表實施統一招標以來，新的標準增加了產品設計的難度，也帶來了技術和成本的挑戰[1]。中標的產品價格處于低位，企業利潤空間很少。目前應用最多的SOC（系統級芯片）方案是單片機內置LCD（液晶顯示器）驅動芯片、時鐘芯片、溫補電路，時鐘芯片晶振外置，SOC作為高度集成的方案，可達到簡化設計和降低產品成本的目的，受到電能表生產企業的關注和青睞[2]。

日計時誤差是判定時鐘準確度的一項重要指標，智能電能表要求在參比溫度及工作電壓范圍內，時鐘準確度不應超過0.5 s/d；在工作溫度范圍-25℃～+60℃內，時鐘準確度隨溫度的改變量不應超過0.1 s/（d·℃），在該溫度范圍內時鐘準確度不應超過1 s/d[3]；如何保證SOC方案在整個溫度范圍內時鐘的可靠性和準確度，已成為SOC芯片廠家和電能表廠家研究的課題。

電能表日計時誤差主要取決于時鐘源的特性，以及如何根據時鐘源的特性做出補償，為此就時鐘實現原理展開討論，并對于相關誤差影響因素和誤差控制方法（應用設計、器件選擇、工藝控制）等作出一定的分析研究。

1 時鐘實現原理

實現時鐘功能的時鐘源通常有2種：一是基于機械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路，特點是精度高；二是基于相移電路的時鐘源，如：RC，LC振蕩器，特點是成本低，但精度也相對較低。

圖1給出了2種分立的振蕩器電路，其中左圖為皮爾斯振蕩器，右圖為簡單的RC反饋振蕩器。電能表的高精度實時時鐘源一般采用皮爾斯振蕩器。

圖1 振蕩器電路

電能表在停電狀態時是由電池供電，所以電能表的時鐘源要求超低功耗設計，只有低頻晶振可用，因為使用高頻振蕩器時，功耗將會大幅增加。目前所采用的典型的32.768 kHz音叉晶體，最大驅動功率不超過1 μW，滿足低功耗的設計要求。

32.768kHz音叉晶體不能在寬溫范圍內提供較高精度，在一定溫度范圍內精度呈拋物線型（見圖2），特定頻率f和溫度T的典型晶體頻率偏差Δf：

式中：f為晶體標稱頻率；k為曲率常數；T為溫度；T0為頂點溫度；f0是頂點溫度下的相對頻偏。

圖2 32.768 kHz晶體頻率變化溫度曲線

SOC時鐘方案芯片的RTC定時器的時鐘源，正常情況下是32 768 Hz晶體振蕩器輸出，每隔20 s對時鐘進行一定量的增減來實現時鐘調校的功能。增減的值即為調校值，在實時時鐘調校寄存器和實時時鐘調校符號位寄存器中設置。通過對RTC時鐘的調校，理論上可實現高達±0.763× 10-6的時鐘精度，對應時間的誤差為±0.065 s/d[4-5]。

2 日計時誤差超差分析

2.1 晶體溫度與芯片溫度不一致

由于對載波通道使用的電源電壓和功率都提出較高要求，使得三端穩壓塊7805的壓降大大增加，增加了發熱量。SOC芯片內置溫度傳感器，晶體外置，表內發熱器件發熱后導致晶體和芯片感應的溫度不同，這個溫度差會影響高低溫下日計時誤差的精度。

從32.768 kHz晶體拋物線圖可以看出，在20℃～30℃溫度范圍內，拋物線頻率變化較小，晶體溫度和芯片溫度溫度相差3℃以上，影響不大。若晶體實際溫度為40℃，Δf/f=10×10-6，若芯片測得溫度為45℃，Δf/f=16×10-6，二者相差6.3×10-6×24×60×60=0.544 s/d，越往溫度兩端，Δf /f相差越大。

2.2 時鐘芯片溫度和標準溫度調校不一致

電能表時鐘溫度補償調校不到位，在電能表生產過程中，需在23℃時通過標準時鐘調校設備對電能表的時鐘進行調校。若電能表內部溫度沒有恒定到23℃時調校，會使電能表標定溫度與實際溫度有差異，導致電能表在環境溫度變化下補償不足，出現日計時誤差超差的現象。

2.3 停電后的溫度補償

停電后為保證低功耗，必須將電能表中溫度傳感器、ADC（模數轉換器）及其參考電壓全部關閉，在喚醒后要建立溫度傳感器、ADC及其參考電壓。ADC參考電壓的建立需要時間，如果沒有提供足夠長的時間使ADC的參考電壓建立，將引起溫度數據測量的不可靠[6]。

2.4 晶體沒有老化導致晶體頻率偏移

晶體沒有經過一定溫度和一定時間的老化處理，應力無法釋放，導致晶體頻率偏移，電能表存儲一段時間或者運行一段時間后產生日計時誤差超差。

2.5 三防工藝未到位

32.768 kHz晶體的振蕩幅度很低，一般在0.8 V～1.0 V，非常容易受到外圍環境的影響尤其是濕度的影響，容易產生晶體停振或者振幅偏低導致日計時誤差超差。

2.6 焊接導致晶體受傷

溫度對晶體會產生很大的影響，焊接中波峰焊裝置的浴槽室內溫度，焊接板材的厚度（熱傳導的影響），插入焊流中晶體引腳的長度等，都會影響晶體的特性。晶體在嵌合部位加熱到200℃以上時，內部真空環境會遭破壞，等效阻抗上升200 kΩ，會產生停振現象。因此，晶體焊接有嚴格的時間和溫度控制，否則會導致晶頻率產生飄移，產生日計時誤差不合格的現象。

3 日計時誤差控制方法

3.1 器件控制

3.1.1 晶體品牌的選擇

方案設計初期先對時鐘晶振的溫度曲線進行描點，批量驗證晶振的高低溫曲線。溫度曲線有2種獲取方法，第一是描點，第二是采用二次拋物線公式。根據對溫度曲線的驗證，合理選擇32.768 kHz晶體的品牌，保證批量生產時晶體溫度曲線的一致性，同時要求晶體出廠前進行老化處理，去除應力。

3.1.2 SOC芯片選擇

從溫度平衡調校的原理可以看出，溫度在該方案設計中的重要性。目前對溫度的處理方案有芯片廠家保證溫度傳感器溫度精度，或由電能表廠家根據溫度平衡的方法調校溫度。芯片出廠時測溫誤差較大，需要有一個溫度定標的過程，要求電能表廠家在調校日計時誤差前，把電能表模塊和調校設備放在恒溫室2 h以上，保證調校設備測試的溫度即電能表模塊的溫度，然后用調校設備對這批表計模塊進行燒寫程序、調校溫度和日計時誤差工作。

基于上述驗證結果，要求SOC芯片廠家提供溫度標定的芯片，溫度誤差≤±2℃，可以避免因電能表廠家生產環境和工藝引起的日計時調校溫度誤差。

3.2 設計控制

3.2.1 晶振振幅設計

為避免晶振振幅過低或過高造成晶體停振或損壞，在設計之初芯片、晶體和PCB（電路印刷板）需要做匹配測試。

3.2.2 停電后的溫度補償

停電喚醒后建立參考電壓需等待一段時間（> 5 ms），然后進行溫度傳感器輸出信號的ADC轉換，這樣可以保證轉換的溫度數據準確可靠。

3.2.3 布板設計

設計布板時，晶體兩引腳之間開槽（見圖3），增加2個引腳之間的阻抗，這樣盡管晶體的2個焊盤同時焊接，也不至于在兩管腳之間留下助焊劑等雜物，并且要確保晶體的2個引腳與布板地線的安全間距盡可能大。

圖3 晶體布板設計

同時在布局時，晶體應遠離模塊上的發熱元件，如電源三端穩壓塊應盡量遠離晶體和SOC芯片，以盡可能減少溫度對晶體的影響。

3.3 工藝控制

3.3.1 日計時誤差環境溫度調校

根據大量的試驗驗證，調校設備要求易散熱，且需放在空氣容易流動處；如是多個調校設備形成設備組時，設備之間要求留有足夠的散熱空間；電能表模塊需與調校設備一起恒溫放置；芯片的溫度定標技術可解決環境溫度問題。

3.3.2 晶振焊接

晶體焊接要有嚴格的時間和溫度控制，要求定時巡檢電烙鐵溫度和波峰焊爐溫度。選擇波峰焊或手工焊接時，要求基板表面的溫度及晶振外殼或者嵌合部的最高溫度不能超過180℃。

3.3.3 三防工藝

超聲波清洗要求避開32 kHz附近，一般選擇40 kHz，以免損傷晶體。

在保持一定溫度的情況下將三防漆涂在32.768 kHz晶體的周圍，包括晶體本身和晶體相連的芯片管腳，涂漆要求有一定的厚度，避免將部分水氣附到模塊上。

應通過嚴格的鹽霧試驗（一個周期24 h）和交變濕熱試驗（144 h），這些對于SOC方案日計時誤差控制是非常的重要。

4 試驗驗證

客戶驗收要求在參比溫度及工作電壓范圍內，時鐘準確度不應超過0.5 s/d。電能表廠內控標準：出廠抽檢不超過0.35 s/d，車間終檢不超過0.3 s/d，車間調校不超過0.25 s/d。

對SOC方案電能表的器件、設計和工藝進行有效控制后，選取用此方案設計和生產的10 000只單相遠程費控智能表作為樣本進行跟蹤，二檢和出廠抽檢合格率為100%。

選擇2種存儲方式放置2個月后：5 000臺用塑料袋包裝后放入周轉箱，放置在開窗的走廊里；另5 000臺用簡易包裝后放置在整表倉庫里。2個月后復檢日計時誤差和電能表時間，合格率為100%。選取200臺進行沖擊和振擊試驗，再復檢日計時誤差，合格率為100%，進行高低溫存儲試驗，再復檢日計時誤差，合格率為100%；實際銷售數量已超過50萬只，國家電網計量中心的電能表時差精度抽檢記錄見表1。

表1 電能表時差精度測試數據比對

5 結語

經過電能表樣表測試數據和大批量生產驗證，通過器件、設計、工藝三方面的有效控制，SOC時鐘方案的日計時誤差的精確度和可靠性，完全能達到與獨立芯片同樣的技術性能，滿足客戶對智能電能表的要求。

[1]國家電網公司.Q/GDW 1354智能電能表功能規范[S].北京：中國電力出版社，2013.

[2]唐文亮.基于SOC技術的單相智能電表的設計與實現[D].湖南：湖南大學，2012．

[3]國家電網公司.Q/GDW 1364單相智能電能表技術規范[S].北京：中國電力出版社，2013.

[4]張軍.非線性時鐘溫度漂移的二階修正算法[J].計量技術，2013（9）∶30-34．

[5]公茂法.黃鶴松．單片機原理與實踐[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2009．

[6]張曉蕓，高玉竹.基于寄存器狀態的低功耗時鐘設計[J].電子測量技術，2013（11）∶1-4．

[7]孫培強.正確選擇統計判別法剔除異常值[J].計量技術, 2013（11）∶71-73．

[8]袁金燦，馬進，王思彤，等.智能電能表可靠性預計技術[J].電力自動化設備，2013，33（7）∶161-166．

（本文編輯：楊勇）

Research on Daily Timing Error Control of Watt-hour Meter Based on SOC Scheme

FAN Zhuoxia，YANG Caotian
（Holley Meter Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310023，China）

The system on a chip（SOC）scheme which integrates multiple elements becomes a focus of Watthour meter manufacturers due to its cost advantage.This scheme adopts external crystal oscillator，so daily timing error is vulnerable to interference.Through analyzing influencing factors of daily timing error，it is obtained that daily timing error is mainly affected by ambient temperature，compensation temperature，aging degree of crystal oscillator and etc.This paper presents control demands from aspects of device selection，fabric swatch design，welding technology and so on.It is verified that daily timing error based on SOC scheme can achieve the same accuracy and reliability requirements as the independent clock chip scheme.

SOC scheme；Watt-hour meter；daily timing error；reliability control

TM933.4

：B

：1007-1881（2014）05-0033-04

2014-03-25

范卓霞（1965-），女，浙江奉化人，工程師，從事電能表制造工藝研究。