【导读】意法半导体 STMicroelectronics（简称 ST）对于智能电表中的核心部分提供了全面的高性价比解决方案，在市场中赢得了客户的认可，这里将着重介绍 ST 的产品在智能的电表核心方案中的主控 MCU部分、实时时钟 RTC 部分和系统电源 SMPS 部分。
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单片机MCU部分
智能电表的 MCU 集测量、通讯、微电子、数字信号处理和计算机技术为一体。 在功能方面，包含电能计量、多功能电参量测量、费率控制、预付费和负荷控制、数据处理及存储、通讯、显示等。除要求具有较大的程序和数据空间外，还要求具有较高的时钟频率和丰富的通讯及 I/O 口资源。电源方面应具有多种节电模式和较低的功耗，具有低电压检测和硬件看门狗。同时，能够集成 LCD 驱动、数字温度传感器、A/D 转换等丰富外设。
图1 智能电表基本构架
在低功耗的智能电表中，ST 公司的 STM32L152 系列超低功耗 32 位 ARM Cortex-M3 处理器对抗干扰性以及稳定可靠性有着优秀的表现。STM32L152 系列集成 LCD 驱动器，5 种省电模式，内置硬件 RTC（硬件校准）模块，多达 5 个 USART，SPI，ADC，DAC，EEPROM，DMA，TIMER 等一应俱全。
图2 STM32L152 内部资源框架图
对于电表应用，UART 通讯端口的功能及低功耗的特性尤为重要，STM32L152 系列大容量的产品中提供多达 5 个 UART 通讯端口，而且 UART 端口的功能非常丰富，可以根据应用者的不同要求去合理调配，满足不同地区的规约需要。例如通常在电表中会用到至少两路的 RS485 通讯口，一路红外通讯口，一路兼容 ISO7816 的 IC 卡通讯口，一路 ESAM 模块通讯口，丰富且完全独立的硬件 UART 端口极大方便了开发人员的使用。
图3 STM32的UART功能模块
STM32L152 在电表中的另外一个突出表现就是低功耗的能力。STM32L152 提供了 5 种不同运行模式让使用者根据工作条件安排 MCU 运行在不同的功耗模式下。在低功耗模式下内核和外设都保持运行状态，内部电源变换器工作在低功耗模式下，系统时钟频率降低。
*睡眠模式：内核停止运行，外设保持在运行状态。
*低功耗睡眠模式：内核停止运行，外设保持在运行状态，内部电源变换器工作在低功耗模式下，系统时钟频率降低。
*停止模式：内核停止运行，所有时钟都停止，SRAM和寄存器内容保留 。
*待机模式：VCORE范围内全部断电，SRAM和寄存器内容不保留，RTC寄存器，RTC备份寄存器和待机电路保持 。
实时时钟RTC部分
ST 在电表行业中的 RTC 产品 M41TC8025 是一个带温度补偿机制的实时时钟芯片，是为电表行业量身定做的产品，完全满足电表客户的需求，为客户提供了另一种合理的有效的选择。
M41TC8025 与 MCU 的连接非常简单，MCU 通过 I2C 接口非常容易和 M41TC8025 进行通讯，所有的配置和读取均按照标准的 I2C 通讯协议进行。
图4 与 MCU 的连接示意图
系统电源SMPS部分
国外无论是单相表还是三相表已经大量使用开关电源，国内在集中器和采集器也已经逐步尝试使用开关电源。国内电能表在单相表和三相表中使用开关电源必定是一个趋势。
ST 的开关电源 IC——Altair04-900，在单相表中应用集聚竞争力和吸引力。Altair04-900 在电表中应用有如下优点：1.内置 900V MOS 管，不需要额外外接高压 MOS 管，同时能保证 1.9Un 输入电压时电源正常工作，并且效率能大 70%以上；2.芯片内部采用准谐振工作模式，待机功耗低，满足对电表系统低功耗的要求；3.芯片外围电路设计简单，减少成本；4.由于采用准谐振工作模式有良好的 EMI效果；5.原边反馈并且保证较高输出进度。参考设计原理图如图一下：
图5 开关电源 Altair04-900 参考设计图
该电源适用与国内单相表。输入市电 AC84-440V，输出 12VDC/0.4A，5VDC/0.1A。输出之间 4KV 耐压隔离，12VDC 给继电器拉闸使用，同时 12VDC 整流分成两路，一路给 LCD 屏供电，另一路给主 MCU芯片和计量芯片供电；5VDC 给 485 通信供电。电源输入端 CX2、L1、L2 是 EMI 抑制部分，R7、R12为检测辅助绕组退磁时间来达到原边控制的目的；C9、C10、R13 为内部误差放大器输出补偿；C6 为输出恒流补偿；R14 为外接功率检测电阻，用于调节内部限流点。同时，若是输出对主路要求进度高还可以进行副边反馈设计，保证输出进度能达到±1%。该设计方案配合电表系统部分有良好的 EMC效果（浪涌差模 4kv、冲击电压±6kv、EMS 脉冲群±4kv、耐压输出之间 4kv、接触放电 8.8kv、空气放电 16kv），并且配合整表待机功耗能做到 0.4W（AC220V）。基本电气性能测试数据如下图：
按照开关电源待机功耗 0.4w 的实测数据，相对于线型变压器的约 0.6w 的功耗，待机功耗降低了约 30%，如果中国全部的家庭电表更换为开关电源，按 2.4 亿的家庭用户计算，每年节省的电量高达 4亿度，这将有效缓解用电紧张的状况，并且降低了能源消耗。
结合以上的介绍，ST 产品在电表中的应用优势相当明显，核心部分都有性价比极高的产品满足客户的需求，这些产品都已在国内的电表厂商成功量产，为企业带来了客观的经济效益，并且其性能都达到了国家电网的严苛要求，越来越多的电表厂商都选择了 ST 作为未来电表的产品的主要平台。
