CMOS数模混合技术在防窃电电能计量芯片中的设计探究

武传洪 张之文 李玉勇

摘 要：本文根据对窃电技术进行的一些简单分析，指出防窃电电能计量表应具备的基本功能和窃电电能计量芯片的设计要点，通过对CMOS数模混合技术进行研究，探讨了CMOS数模混合技术在防窃电电能计量芯片中的设计。

关键词：CMOS数模混合技术；防窃电；电能计量表；芯片设计；应用探究

CMOS集成电路是未来高速低功耗系统中器件发展的主要方向，同时更是实现超大规模集成电路的重要手段。在防窃电电能计量芯片设计工作中科学地利用该技术，对我国电力事业的发展将起到很大的推动作用。

1 CMOS数模混合技术的内涵

1.1 数模混合技术

数模混合技术就是将模拟信号和数字信号混合在一起的技术，所谓的模拟信号就是在时间和数字上都是用连续的物理量所表示的信号。这种信号集成的电路也叫作模拟电路，其优点是直观且容易实现，缺点是保密性差、抗干扰能力弱。数字信号所传送信息的数量是离散的，同时在时间上的物理量也是离散的，由这些离散的信号所集成的电路，就叫作数字电路。其优点是保密性较好、抗干扰能力强，还可以构建综合数字通信网；缺点是技术复杂、进行模/数转换时误差量明显、所占用的频带较宽。

数模混合技术中占主导地位的是数模混合信号电路的设计。数模混合信号电路能够简化电路，将模拟电路和数字电路集中到一个芯片上。在电路功能越来越强大、电路系统越来越复杂的今天，这种技术在无线通信网络和多媒体信息处理过程控制和实时控制等系统中都得到了广泛的运用。

1.2 CMOS数模混合信号电路设计技术

研究CMOS数模混合信号电路设计技术的目的是为了找到一种低功耗、低电压、高速的数模混合信号设计方法，使其在高速模数转换器、数模转换器、锁相环设计、高速混合信号电路测试等各个方面都能够发挥作用。CMOS数模混合信号电路设计技术在宽带数据通信、多媒体移动通信、液晶显示驱动、高清晰度数字电视、高速数字示波器、硬盘驱动等多个领域都得到了广泛利用。目前主要的研究成果有折叠内插（Folding/Interpolating）模数转换器、流水线（Pipeline）模数转换器、科技查新和水平检索。CMOS数模混合信号电路设计技术的研究使我国在这方面首次突破百兆赫兹模数转换速度，芯片面积效率和功耗效率指标达到当今同类技术国际先进水平，在我国科技的发展道路上占据了一席之地。

2 防窃电电能计量芯片

2.1 防窃电电子式电能表

在我国的供用电业务扩散和普及过程中，窃电行为屡禁不止，窃电手法层出不穷，窃电技术的多样性和隐蔽性也越来越高。在传统的电力计量表上做手脚来进行窃电对非法分子来说轻而易举，他们主要通过更改接线方式、更改电表内部线路、调试电表内部数据或干扰计量元件等方式来达到窃电目的。因此将传统电力计量表更换为智能电子电力计量表是电力企业发展和改革过程中的一项重要任务。相较于传统电力计量表，智能电表内的计量元件具有很强的抗干扰能力，计量电流的灵敏度和准确度更高，外壳结构更加稳定且不易被拆除，内部提供三相、分相等多种计量功能。使用智能电力计量表在一定程度上能够有效遏制窃电行为的出现。

2.2 防窃电电能计量芯片

电能计量芯片是智能电力计量表的核心部分，在设计时通常要求其具备反向用功、平衡电流、自动检测零线缺失和防窃电测量功能。简单的电力计量表仅能测量火线的电流信号和电能表进线端的电压信号，当零线反接时便不具备计量功能，因此也无法计量准确的用电量。设计防窃电电能计量芯片的目的就是为了精确地计量用电量，并在窃电情况下依旧能计量出实际的用电量。

3 CMOS数模混合技术在防窃电电能计量芯片中的设计

在我们常见的电路中，在对模拟信号进行设计和调试时，需要同时控制电压和电流两个变量，因为模拟信号上的电压和电流是随时间连续变化的，所以更容易受到外界的干扰。在对数字电路进行设计时，由于数字信号的抗干扰能力比模拟信号更强，因此只需要考虑控制会因时间变化而变化的电压。在设计电路时，常需要考虑的主要因素有干扰源、干扰对象和主要干扰途径，模拟信号电路的特征决定了它的主要设计分析对象为干扰对象，数字信号电路的特征决定其主要分析对象为干扰源。在基于CMOS数模混合技术的防窃电电能计量芯片的设计中，作为干扰源的数字电路部分多采用CMOS工藝，相对于其他逻辑系列，CMOS逻辑电路具有方便设计、允许通过的电压范围大、抗干扰能力强、静态状态下耗能量低、输入电阻大、驱动力强等优点。

基于CMOS数模混合技术的防窃电电能计量芯片的设计目的，最终是为了能够提高市场的接纳率和使用率，因此决定数模混合处理芯片采用何种技术不仅要看其性能，还要考虑其实用性和成本。相比于双极、基于化合物半导体的双极及BiCMOS，标准的CMOS工艺技术的速度不及它们，但在成本、功耗和高集成度的角度上来说，CMOS工艺技术是具有极大优势的。在解决CMOS工艺技术的速度方面，可以通过不断解决互连问题和进一步细化尺寸来提高。不断发挥CMOS技术的优势，弥补其速度上的劣势，是需要研究人员不断思考的问题。

4 结束语

相信随着工艺的进一步微细化，标准CMOS工艺技术在高速数模混合电路方面将有很大作为，在电力企业的防窃电工作中也会发挥越来越大的作用。

参考文献

[1]王祥莉.基于CMOS数模混合技术的防窃电电能计量芯片设计[D].上海交通大学，2008.

[2]赵岩.电能计量的低功耗集成电路实现及采样方法研究[D].浙江大学，2014.

（作者单位：国网山东省电力公司巨野县供电公司）