一种低功耗的电子式电能表电源监控芯片

0 引言

    现代电子式电能表对系统稳定及掉电存数等有着异常严格的要求，掉电监测及复位电路是整个电表中最基本又极为关键的部分。目前国内各电能表厂家大多以MAXIM公司的MAX706、ADI公司的ADM706等类似集成电路做为掉电监测及复位电路的核心，使用该监控电路来监测系统是否掉电、监控MCU是否正常运行。但因为MAX706等在上电或掉电到4．4 V以下都有复位信号，而且复位信号输出时间不可控制，这很可能会影响到电表的掉电监测以及存数。同时电能表频繁上、掉电，以及电源干扰信号很大时，就会引起反复复位造成电能表中数据被破坏，影响电能表的可靠正常运行。这关系到电表计量的准确性以及系统运行的稳定及可靠性。

    目前众多厂家为解决上述问题，都专门围绕MAX706等看门狗IC增加额外的外围电路来提高掉电监测及复位电路的稳定性和可靠性。但复杂的额外电路带来了成本的增加，PCB布线难度的增加以及器件与焊点增多带来的可靠性降低的风险。

    针对电子式电能表严格的复位监控功能，珠海中慧微电子有限公司推出了ZHl7X6系列，它是一款低功耗电源管理数据保护芯片。

    ZHl7X6的主要特点是低功耗、高集成度和高可靠性：

    ZHl7X6具有-40～+85℃的工业级工作温度、1．18～5．5 V的超宽工作电压；工作在5 V下10μA、工作在3．3 V下5μA以及低功耗状态下低至0．2μA的工作电流；在系统上电、复位按键按下的情况下，芯片能够保证输出准确可靠的复位信号；其内部的看门狗电路能监视微处理器的运行，当1．6 s内输入信号的状态没有改变时将发出复位信号；具有更加可靠的掉电监测功能。在检测到掉电信号时迅速通知MCU保存数据并且控制复位信号延时发出，可以防止数据因掉电而丢失。超宽的工作电压以及超低的工作电流使芯片格外适合于要求低功耗或使用电池供电的系统，使ZHl7X6系列芯片可以广泛应用在医疗电子、工控仪表和消费类便携式电子等产品上；不低于4．5 kV的ESD防护，提高系统的可靠性；监测供电电源异常抖动并提供强制复位功能，大大提高系统工作的稳定性；所有功能集中在8引脚的SOP封装上(封装尺寸为5 mm×5 mm)，性价比极高。ZHl7X6系列芯片工作电压见表1，ZHl7X6引脚说明见表2和图1。

1 基于ZHl7X6单片掉电监测及复位电路原理应用

    图2是MAX706为核心的电表掉电检测及复位电路框图。在正常工作时，检测系统MCU产生的喂狗信号是否在一定时间内翻转，如果喂狗信号产生翻转，MAX706定时器的计数清零，重新计时；如果喂狗信号没有产生翻转，则产生复位信号。上述过程如此重复循环。掉电检测电路利用MAX706内部电压比较器实现，外围配合线路电压采样电路以及掉电延时电路，在选取好线路电压采样电路的分压电阻阻值后，在掉电过程中分压电压到达MAX706比较门槛电压，会使MAX706产生掉电信号，同时为在掉电时争取到尽量长的存数时间，通常还配备比较大的延时电容。工作电源电压检测信号检测工作电源状态，当系统电压低于2．7 V时，产生低电平信号。该信号经过掉电判断电路与复位控制电路的作用后，可使MCU复位，避免电能表在非掉电状态、仅因为工作电压强烈波动时进入非正常状态。

    图3是基于ZHl7X6的电表掉电检测及复位电路框架图。图2中核心看门狗芯片的所有外围电路，都高度集成在一颗ZHl7X6上。比较后可以看出，在保证电路稳定性和可靠性的基础上，ZHl7X6极大地简化了如图2所示的电子式电能表的复位监控电路，从而使以它为核心的复位监控电路(如图4)，在实际应用中具有很高的性价比。

    在掉电时，ZHl7X6的PFI管脚检测到在R5，R3的分压电压低于基准电压时，比较器发出掉电通知信号。在发出掉电通知信号与完全掉电的时间段内，上电检测信号，控制喂狗信号检测电路及上电延迟电路均不工作，不产生复位信号。并且，当PFI监测到掉电信号时，ZHl7X6马上进入低功耗模式。此时芯片内部时钟振荡器关闭，芯片引脚输出和引脚输出都为高电平(无论此时PFI引脚检测电压是否高于1．25 V)，芯片总的工作电流为1μA。

    片内比较器比较VBB经R6，R7分压后的电压与片内基准电压，当分压后的电压小于片内基准电压时，ZHl7X6认为工作电压发生异常，马上输出强制复位信号，通过此方法实现对工作电源电压检测的功能。

    图4中的VBB，是电表工作电压3．3 V(V33)与电池BTl经过双二极管Q1比较后得到的工作电压。在正常运行时，使用V33供电；当发生掉电时，则自动转换成电池供电。ZHl7X6在3 V的工作电压下的正常工作电流为5μA；在低功耗模式下仅有1 μA。使得ZHl7X6完全可满足在电子式电能表发生掉电时，电池供电的低功耗运行条件。表3为图4所需的器件。

    由于集成度高，ZHl7X6仅需少量外围元器件。表3给出了图4原理图的整个电路所需要的4种约15颗元器件，总计37个焊点以及约21mm×10 mm的印制板面积。对比之下，图2所示框架以MAX706为核心的复位电路，总共需要7种约31颗元器件，总计85个焊点以及约26mm×28mm的印制板面积(如表2所示)。比较后可以清晰看到，基于ZHl7X6的复位监控电路所需的外围元器件、焊点以及印制板的面积比基于MAX706的电路分别减少了约51％，55％和71 ％。外围器件数量和焊点的减少以及PCB布板的简化，使得电子式电能表成本大幅降低，同时还大大降低电表出现故障的几率，提高了电表可靠性。

2 结语

    珠海中慧微电子有限公司推出的ZHl7X6低功耗电源监控数据保护芯片系列，在提高电子式电能表稳定性、可靠性的同时，极大简化了电子式电能表的复位监控电路，降低了电表成本。在ZHl7X6面世之初，即被国内某著名电表企业密切关注。zHl7X6正式发布后，该公司立即与珠海中慧微电子有限公司达成合作意向。对ZHl7X6进行了长达10个月的严格检测与现场试挂，ZHl7X6在电表EMC实验、型式实验和现场试挂时表现异常的稳定，以最优的性价比，最终成功应用于该电表企业的三相多功能电表上，并以巨大优势逐步完全取代现有电路。