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 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;存儲器。本文將以存儲器為重點(diǎn)說明為何電子式電能表需要使用鐵電存儲器(F-RAM)。

鐵電存儲器的技術(shù)特點(diǎn)

首先要說明的是鐵電存儲器和浮動?xùn)糯鎯ζ鞯募夹g(shù)差異?，F(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動?xùn)偶夹g(shù)，浮動?xùn)?strong>存儲單元包含一個(gè)電隔離門，浮動?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制柵的下面及通道層的上面。浮動?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?xùn)糯鎯卧男畔⒋鎯κ峭ㄟ^保存浮動?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動?xùn)糯鎯卧碾妷壕湍苓_(dá)到電荷添加或擦除的動作，從而確定存儲單元是在 ”1”或“0” 的狀態(tài)。但是浮動?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破壞浮動?xùn)糯鎯卧瑥亩斐捎邢薜牟翆懘鎯Υ螖?shù)(例如：閃存約十萬次，而EEPROM則約1百萬次)。

鐵電存儲器是一種特殊工藝的非易失性的存儲器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲器結(jié)晶體，如圖3所示。當(dāng)一個(gè)電場被施加到鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場停在低能量狀態(tài)I位置，反之，當(dāng)電場反轉(zhuǎn)被施加到同一鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場的方向在晶體里移動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耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場下反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場下無反轉(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器。

圖1、電子電能表的基本電路方塊圖。

圖2、浮動?xùn)糯鎯卧?/p>

圖3、鐵電存儲器結(jié)晶單元。

特別是當(dāng)移去電場后，中心原子處于低能量狀態(tài)保持不動，存儲器的狀態(tài)也得以保存不會消失，因此可利用鐵電疇在電場下反轉(zhuǎn)形成高極化電荷，或無反轉(zhuǎn)形成低極化電荷來判別存儲單元是在 ”1”或 “0” 狀態(tài)。鐵電疇的反轉(zhuǎn)不需要高電場，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲單元是在 ”1”或 “0” 的狀態(tài);也不需要電荷泵來產(chǎn)生高電壓數(shù)據(jù)擦除，因而沒有擦寫延遲的現(xiàn)象。這種特性使鐵電存儲器在掉電后仍能夠繼續(xù)保存數(shù)據(jù)，寫入速度快且具有無限次寫入壽命，不容易寫壞。所以，與閃存和EEPROM 等較早期的非易失性內(nèi)存技術(shù)比較，鐵電存儲器具有更高的寫入速度和更長的讀寫壽命。