富士通铁电存储器FRAM在智能电能表中的应用

ｌ盎ｉ’２０１０第二十届中国电工仪器仪表产业发展论坛暨展会

使用ＡＴｒ７０３５／３７的系统可使用通用的Ｋｅｉｌ＿．Ｃ开发平台进行仿真；由于高度集成，可靠性提高；低

功耗系统，多种唤醒方式，丰富的内部驱动可简化硬

新技术新产品

脉冲的能量保存等。ＡＴＩＴ０２２Ｄ为三相多功能计量提供了功能最齐全、设计最简单的应用方案。

谐波功能：ＡＴｒ７０２２Ｄ使用数字滤波器进行谐波

件和软件；大容量存储器可满足ＤＬＭＳ的要求；小信号功率Ｐ—ｏｆｆｓｅｔ补偿功能可以修调小信号精度；软件校表过程简单，便于缩减生产调校成本；芯片内部集

成电源切换功能，可以实现外部电源和后备电池的自动切换；低电压检测ＶＤＣＩＮ功能和独立的电池电

电能计量，测量带宽达２１次谐波，不仅能够测量全波，还提供基波、谐波分别计算功率、能量、有效值的功能，用户可间接计算出总的电压谐波畸变率（ＴＨＤ）等电能量指标，从而为电力系统提供必要谐

波信息数据。ＡＴＦＴ０２２Ｄ内部使用带通滤波器，以实现基波成分与谐波成分的分离，其中基波抽取滤波

压测量功能，便于及时检测外部电压跌落，提前保存数据；内部集成ＢＯＲ，ＰＯＲ，ＬＢＯＲ电路，以保证芯片

可靠的复位；来源于内部ＰＬＬ的３８ＫＨｚ调制频率输

器对高于３次（１５０Ｈｚ）的谐波信号进行一３０ｄＢ以上

的衰减，仅保留基波成分；基波抑制数字滤波器对基

出可简化红外通讯设计，并增加红外通讯的可靠性，由于来自于内部ＰＬＬ，不存在对外部高频晶振的依赖；ＲＴＣ补偿功能即使是在市电停电状态（电池供

电）下也能够进行，补偿的最小分辨率是１．２６ＰＰＭ，

波信号进行衰减，仅保留谐波成分，基波衰减率在

一３０ｄＢ以上。

谐波ＡＤＣ原始数据的获取：内部开辟了一个长度为２４０的缓存存储区，用以实时保存原始采样数据，供用户做进一步的分析。用户发送命令（任务开始＋预定ｃｈａｎｎｅｌ的数据）后，在每个采样周期将相应的ＡＤＣ数据保存到缓存中，直到缓存满为止。只要不发送新的命令，缓存的数据会保持上一次的数

据。用户可以等待相应采样间隔以上的时间后，去读

在芯片的工作温度范围内补偿过的时钟精度误差优

于０．５ｓ／月。

Ａ１＿ｒ７０２２Ｂ，ｃ／Ｄ系列：ＡＤＣ与ＤＳＰ技术完美结合的三相多功能电能计量芯片系列

ＡＴｒ７０２２Ｂ、Ｃ、Ｄ依次向上兼容，这里重点介绍

ＡＴＴ７０２２Ｄ。这是一颗高精度三相电能计量芯片，适用于三相三线和三相四线制，使用５Ｖ单电源供电，内部集成了７路１９ｂｉｔ二阶ｓｉｇｍａ—ｄｅｌｔａＡＤＣ，动态范围

取缓存的内容，比如：单通道时２４０个采样间隔时

间，双通道１２０个采样间隔时间，三通道８０个采样间隔时间，采样率为固定３．２ｋ；

用户可以利用这些原始ＡＤＣ采样数据进行

扩展到１５００：ｌ，小信号功率补偿Ｐ－ｏｆｆｓｅｔ功能可使动态范围内精度更高；内部集成参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因素、频率和线电压夹角（误差０．５度以内）测量电路，并可直接输出所有测量参数，通过ＳＰＩ连接外围ＭＣＵ，由于所有参数都是内部ＤＳＰ直接进行运算的结果，从而充分保证了参数的精度与可靠性；开放内部快速脉冲寄存器，方便客户得到更好的计量指标，如最大需量计算和掉电少于１个

ＦＦＴｒ运算，获得２１次分次谐波数据，在作６４点Ｆ丌

时，如果频率偏离５０Ｈｚ，为避免频谱泄漏而影响精度，用户可采用一次插值法预处理修正。

作者简介：

郭宇清：钜泉光电科技（上海）有限公司工程师，

Ｅｍａｉｌ：ｙｑｇｕｏ＠ｈｉｔｒｅｎｄｔｅｃｈ．ｃｏｍ３００Ｆａｘ：８６－２１－５０２７７８３３

Ｔｅｌ：８６－２１－５１０３５８８６

ｘ

富士通铁电存储器ＦＲＡＭ在智能电能表中的应用

周本宏，刘美周

（上海拳宏电子科技有限公司

２０１１００）

摘要：随着国家电网各项智能电能表标准的陆续发布和实施，智能电能表即将步人千家万户。作为电能量和一些关键数据的存储，铁电存储器正在发挥巨大的作用。此外由于芯片制造工艺已经步入纳米级。铁电存储器的成本也将越来越为广大电能表厂商所接受。

关键词：富士通；铁电存储器ＦＲＡＭ；智能电网；低碳

一２２７—

‘＆’２０１０第＝ｒ月中目自Ｉ倥＊仪表产Ⅱ发Ｒ＊ｋ＆Ｒ全

新技术新产品

一、富士通铁电存储器概述

作为行业中最大的铁电随机存储器ＯＦｅ—ｌｅｅｔｒｉｃ

Ｒ衄ｄｏｍＡｃ㈣ｓＭｅｍｎｎＪ供应商，寓十通公司早在１９９８

年就开始批量制造铁电存储器，截ＩＥ目前全球已经出货近４亿片。新一代的非易失性铁电随机存储器在性能上超过现有的存储器．比如电可擦除只读存储器（ＥＥＰＲＯＭ）、电池后备供电静态读写存储器（ＢＢ—ＳＲＡＭ）。但在其它各方面则类似于随机停储器。田此，和其它类型的非易失性存储器干｝ｉ比（如电可攘除只读存储器和闪存Ｆｌｍｓｈ），它的特点是写＾速度更快，对于多次读写运算具有更高的耐受性，咧时耗电少。

这一突破性存储介质不仅可以用在要求具有高安全性能及低功耗特性的智能电能表中，还广泛应用到办公自动化、医疗电子、汽车电子以及各类工业

控制领域。

铁电随机存储器属于非易尖性存储器，富士通是最早创立嵌人式铁电随机存储器的半导体制造

商。富士通的铁电随机存储器器件在岩手县（１ｗａｔｅ）工厂生产，并获得ＩＳ０９００２和ＩＳ０１４００１认证。

什么是铁电随机存储器的材料々

●

ｋｃｔｒＩｃＦｊ●ｌｄ

ｔ

ｏ：ｐｂｏ：ｏＯ：Ｚｒ／Ｔｔ

ｆ

ＰＺＴＣｒｙＳｉａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ

钙钛矿类型结构ｆＡＢ０３）的ＰＺＴ（ＰｂｆＺｒＴｉｌ０３）是铁电随机存储器中使用的最常见的材料。在应用和排除外电场后，ＩｒＺＴ的电极化（ＺｆｆＦｉ原子的上／下移动）仍然存在，从而带来了非易失性的特质。因此，数据存储所消耗的电量非常小。

铁电随机存储器和其它非易失性存储器相比具有的优势：

１．比电可擦除只滨存储器（ＥＥＰＲＯＭ）谴写速度快３０，０００倍：

２比电可擦除只读存储器（ＥＥＰＲＯＭ）擦写次数

高出１００．０００倍：

３比电可擦除只读存储器（ＥＥＰＲＯＭ）的耗电少

２００倍；

４出众的防干扰性能。

二、富士通铁电存储器ＦＲＡＭ的特色低碳制造

工艺

铁电存储器ＦＢＡＭ是前景极好且正受到密切广泛关注的集成电路组件，然而，其制造过程中使用的原材料及化学物质颇多，制程也极为复杂。为了计算出在生产ＦＲＡＭ时的ＣＯ：排放量，富士通针对芯片

生产工厂中化学原料、化学气体、晶圆等的用量以及

制造过程中的能耗量进行分析，得出在生产１个ＦＲＡＭ芯片过程中的ｃ０：排放量（０４６６ｋｇ）。

富士通微电子公司持续的致力于控制ＣＯ，排放量。现在，与其它Ｉｃ芯片相比，ＦＲＡＭ制造过程中

ＣＯ，排放量虽然比较多，但是由于ＦＲＡＭ的应用提

升了工作效率并促进了无纸化的推动，从而大幅度地降低了整体ＣＯ：排放量。

透过分析制造程审中的环境污染嚼查ＣＯ。排艟■想对使用ＦＲＡＭ技术的ＩＣＴ『ＩｎｆｏｍａｔｉｏｎＣｏｍ—

ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ缩写１解决方案进行环境污染评估，首先要分析生产ＦＢＡＭ过程。

在分析ＦＲＡＭ的ＣＯ：排放量过程中，需调查工

厂或生产线中使用的化学物质或消耗能量．并从总

产量人手计算每个产品的ｃＯ：排放量，我们把这种方法称之为ｒ基础型Ｊ。评估时须在原材料、化学物质（化学原料类、化学气体娄、溅射源、晶圆）、制造过程

能耗等范嗣内进行，计算每个产品的环境负荷量。

每个ＦＲＡＭ芯片的ＣＯ：排放量为０４６６ｋｇ

ＦＰｃ＾．Ｍ的制造程序中需要各种能源，如电力、蒸汽、冷热水、冷却水、纯水等，透过每年的能源消耗量可计算出Ｃ０２排放量为４６４６０吨。将这个数字换算成一片ＦＲＡＭ晶圆在一个制程中的Ｃ０２排放量则

为１７０ｋｇ。将该结果加上原材料或化学物质生产过

程中的Ｃ０２排放量就可以得出整体的Ｃ０２排放量，再乘以制程数，除以每个品圆上的芯片数，就可以得出一个芯片的Ｃ０２排放域，即：０４６６ｋｇ。此外通过使用ＦＲＡＭ，其快速存储和读写为用户带来了更好的使用效率，从而也减少更多的碳排放。

三、富士通铁电存储器在智能电能袁中的应用传统电能表数据存储系统采用ＥＥＰＲＯＭ存储器＋掉电检测电路。由于ＥＥＰＲＯＭ存储器的存储次数约一百万次，因此不是一个电能脉冲就存储一次，

零・２０１０镕ｚ１月十目！三燮坚ｉ！！墼！墅！

模的应用。

品圆３％ｆｂ肇席料５％

新技术新产品

米级前进，由此带来更低的成本，它必将获得更大规

四、下一代铁电存储器的研发进展

最近富士通公司创建了领先传统ＦＲＡＭ４倍的、全新的、高度集成化的ＶＲＡＭ存储器核心制程，拥有令人耳目一新的超高性能，读，写速度达到传统ＦＲＡＭ的３倍，并拥有卓越的可靠性，能够进行超过１００万亿状的读写循环操作。由于这项全新的铁电制程可以加＾至现有的ＣＭＯＳ逻辑电路制程之中，而富士通公司也将基于该项项目成果继续开发

目１

ＣＯ，排＆量∞构成

大规模制造技术，从而使其在ＦＲＡＭ适用的安全应用市场上，充分发挥出其低功耗和高读／写速度的优点外，进一步开发内嵌式ＦＲＡＭ微控制器的新市场，从而进一步满足用户的多元化需求。

参考文献

而是将脉冲暂存到单片机的ＲＡＭ中，等脉冲记录到一定值或一定时同，再将脉冲数据转存到ＥＥＰＲＯＭ中。因此需要掉电检测电路实时检测当前是否处于掉电状态，当检测到掉电时就将ＲＡＭ中的脉冲数据存储到ＥＥＰＲＯＭ中。由于写ＥＥＰＲＯＭ较慢，大概有１０ｍｓ的写周期，这就要求在掉电后有足够的电压．以保证脉冲数据写＾ＥＥＰＲＯＭ中，通常是利用大容量电容来确保掉电后的电压。但是，基于写ＥＥＰＲＯＭ的特点，写入ＥＥＰＲＯＭ数据易于出错。为了提高写＾数据的准确性，需要在软件设计上采取一些措施。因此，传统电能表数据存储系统无论是在硬件上还是在软件上都比较复杂。

针对国家电网新的单相和三相智能电能表技术规范，除了实时计量电能外，还具有复费率、事件记录等多种功能，需存储大量数据，并且擦写次数多。因此，选择富士通铁电存储器来进行读写就可以解决这些问题。随着铁电存储器的工艺制程不断向纳

【ｌ】～』ｕｊｉｔｓｕ∞ｍ

『２１２透过在ＩＣＴ解决方案中使用ＦＲＡＭ技术降低整个系统的Ｃ０２排放量富士通微电子Ｌ匕海）有限公司培训资料

作者简介

周本宏（１９７４一），高级工程师１９９９年毕业于合肥工业大学电气工程系工业自动化专业先后从事电力调度和电能表设计、模拟数字混合信号芯片设计以及电能计量芯片的应用和推广。现从事铁电存储器的应用研究。

刘美周（１９斛一），工程师．双学士；２００８年毕业徐州师范大学计算机科学系．现从事铁电存储器的应

用研究。

基于ＥＭ２５０的ＺｉｇＢｅｅ模块设计

王太平

深圳市曼辉檄电干有限奁司技术部５１８０５４

１前言

随着微电子技术、计算机技术迅速发展，在人们应用需求的牵引下．无线通信拄术和网络技术获得了长足的发展。与此同时，嵌＾式技术的不断发展．使网络互连成为嵌入式系统的一项基本功能，正如

通用计算机一样，嵌入式设备也把网络互连的媒介转向了无线阿络。

大多数无线网络的设计目标都放在提高数据传输的速率以及通信的距离，但并非全部，低数据率的嵌＾式无线网络在无线网络技术领域有其不可替代

富士通铁电存储器FRAM在智能电能表中的应用

作者：作者单位：

周本宏， 刘美周

上海本宏电子科技有限公司 201100

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