電子式電能表使用鐵電存儲(chǔ)器(F-RAM)的緣由

自從1889年匈牙利工程師 Otto Blathy 發(fā)明全世界第一個(gè)電能表 (瓦特瓦時(shí)表)原型之后，電能表經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)多的演進(jìn)：由機(jī)械式電表到今日的各種不同型式的電子電能表，包含新的預(yù)付費(fèi)電能表 (pre-paid) 復(fù)費(fèi)率電能表 以及具有雙向通訊能力的電子式電能表等，其提供的擴(kuò)展功能包括：自動(dòng)讀表(AMR)、線上查詢、遠(yuǎn)程連接/斷開，以及復(fù)雜的計(jì)費(fèi)結(jié)構(gòu)等等。這些電能表還可讓使用者對(duì)其耗電量有更好的控制，以便節(jié)省電費(fèi)及更有效地分配用電量。

　　如圖1所示，電子電能表的基本架構(gòu)包括下列各主要功能模塊：電壓電流取樣電路;16位以上分辨率的ADC;計(jì)量與控制單元;通信接口;操作界面;顯示器;存儲(chǔ)器。本文將以存儲(chǔ)器為重點(diǎn)說明為何電子式電能表需要使用鐵電存儲(chǔ)器(F-RAM)。

　　鐵電存儲(chǔ)器的技術(shù)特點(diǎn)

　　首先要說明的是鐵電存儲(chǔ)器和浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的技術(shù)差異。現(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)，浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元包含一個(gè)電隔離門，浮動(dòng)?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制柵的下面及通道層的上面。浮動(dòng)?xùn)攀怯梢粋€(gè)導(dǎo)電材料，通常是多芯片硅層形成的 (如圖2所示)。浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的信息存儲(chǔ)是通過保存浮動(dòng)?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的電壓就能達(dá)到電荷添加或擦除的動(dòng)作，從而確定存儲(chǔ)單元是在 ”1”或“0” 的狀態(tài)。但是浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)需使用電荷泵來產(chǎn)生高電壓，迫使電流通過柵氧化層而達(dá)到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦寫延遲。高寫入功率和長期的寫操作會(huì)破壞浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元，從而造成有限的擦寫存儲(chǔ)次數(shù)(例如：閃存約十萬次，而EEPROM則約1百萬次)。

　　鐵電存儲(chǔ)器是一種特殊工藝的非易失性的存儲(chǔ)器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲(chǔ)器結(jié)晶體，如圖3所示。當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被施加到鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)停在低能量狀態(tài)I位置，反之，當(dāng)電場(chǎng)反轉(zhuǎn)被施加到同一鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)并停在另一低能量狀態(tài)II。大量中心原子在晶體單胞中移動(dòng)耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場(chǎng)作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場(chǎng)下無反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較低，這種鐵電材料的二元穩(wěn)定狀態(tài)使得鐵電可以作為存儲(chǔ)器。

　　圖1、電子電能表的基本電路方塊圖。

　　圖2、浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元

　　圖3、鐵電存儲(chǔ)器結(jié)晶單元。