Журнал «ИСУП». (Информатизация и системы управления в промышленности)
ИТ, КИПиА, метрология, АСУ ТП, энергетика, АСКУЭ, промышленный интернет, контроллеры, экология, электротехника, автоматизации в промышленности, испытательные системы, промышленная безопасность

ГК «Миландр»: перспективные интегральные микросхемы и приборы учета электроэнергии на их основе как пример успешного импортозамещения на российском рынке

В статье представлены аппаратные решения, разработанные группой российских компаний для учета электроэнергии: интегральные микросхемы и построенные на их базе счетчики электроэнергии. Подробно описаны их характеристики и возможности.

АО «ПКК Миландр», г. Москва, Зеленоград

Milandr.png

скачать pdf >>

Интегральные микросхемы для приборов учета потребляемой электроэнергии

Современный умный счетчик электроэнергии – это в первую очередь интегральные схемы, на которых он работает. Именно они определяют его основные функциональные и точностные характеристики. И несмотря на то что в конечной стоимости счетчика до­ля комплектующих не более 20 %, из-за стоимости разработки схемотехнических решений и программного обеспечения именно используемые микросхемы определяют облик и конечную стоимость счетчика. Поэтому при создании новых приборов учета все разработчики в первую очередь уделяют особое внимание выбору микросхемы.


Микроконтроллер

АО «ПКК Миландр» уже более 10 лет выпускает микросхемы, ориентированные на применение в счетчиках электроэнергии (рис. 1). За это время бы­ло разработано несколько поколений микросхем, каждое из них учитывало все новые потребности и исправляло недостатки предыдущих решений, чтобы максимально адаптироваться под новые требования к приборам учета.

Ris_1.jpg

Рис. 1. Микросхема MDR1206FI в корпусе QFN88

Если взглянуть на типовую структуру счетчика электроэнергии, то фактически эта схема не изменялась уже несколько лет. Но дьявол всегда кроется в деталях. Отдельные, на первый взгляд несущественные требования становятся камнем преткновения при выборе микросхемы. И зачастую это приводит к то­му, что в счетчик ставят два или да­же три разных микроконтроллера.

При разработке нового поколения центрального микроконтроллера для счетчиков электроэнергии компания «ПКК Миландр», благодаря многолетнему опыту, а также работе со многими потенциальными потребителями, смогла в одной микросхеме учесть все существующие и перспективные требования. Новый 32-разрядный микроконтроллер MDR1206 (рис. 2) был представлен основным компаниям в конце 2023 года.

Ris_2.jpg

Рис. 2. Схема микроконтроллера MDR1206

Микроконтроллер со встроенной флеш-памятью программ построен на ба­зе процессорного RISC-V-ядра BM-310S от российской компании CloudBEAR. Производство кристаллов освоено на двух независимых фабриках, что позволит обеспечить выпуск микросхем в достаточных объемах. Микроконтроллер предназначен для использования в приборах учета потребляемой электрической энергии в одно- и трехфазных сетях с различными рабочими напряжениями.

Основные технические характеристики:
- система команд – RISC-V 32 бита;
- тактовая частота до 48 МГц (MDR1206FI), до 42 МГц (MDR1206AFI);
- внутренняя флеш-память 2 × 256 + 2 × 8 кБ, ОЗУ 112 кБ;
- периферия 4 × UART, 3 × SSP, 1 × I2C, 1 × ISO7816;
- 24-разрядный × АЦП (7 каналов); 10-разрядный АЦП (3 канала);
- температурный сенсор;
- часы реального времени;
- фиксация проникновения, ОЗУ криптографических ключей, генератор случайных чисел;
- число пользовательских выводов 55 GPIO;
- напряжение питания Ucc от 1,8 до 3,6 В;
- корпус QFN88 10 × 10 × 0,75 (0,4);
- диапазон рабочих температур –50…+85 °C.

Микросхема MDR1206 является усовершенствованием выпущенной в 2020 го­ду микросхемы К1986ВК025 (MDR32F02). Так, в этой микросхеме используется более новая версия процессорного ядра, что позволило более чем на 60 % увеличить производительность (более 2,1 CoreMark/МГц, рис. 3).

Ris_3.png

Рис. 3. Сравнение микросхем MDR1206 и MDR32F02 по производительности

Кроме того, в новом процессорном ядре реализованы специальные инструкции поддержки российской и иностранной криптографии. За счет реализации криптографических инструкций в системе команд RISC-V удалось отказаться от специализированных аппаратных криптоускорителей, что позволило сэкономить на размере кристалла и потреблении электроэнергии. Но при этом показатели производительности на криптографических задачах да­же выросли.

Таблица 1. Показатели производительности микросхем в соответствии с различными стандартами и реализованными криптографическими алгоритмами

Tab_1.png

Освободившееся от криптоускорителей место на кристалле позволило увеличить до 512 кБ объем энергонезависимой памяти программ, что обеспечивает достаточный запас в том числе для перспективных требований к будущим приборам учета. Например, в однофазном счетчике «МИР С-05», разработанном ООО «НПО МИР» (г. Омск), занято 300 кБ, а в счетчике «Милур 107S», разработанном ООО «Милур ИС» (г. Москва), занято 256 кБ.

Для расширения области применения новой микросхемы увеличен диапазон основного питания до 1,8…3,6 В. Также оптимизированы стартовые то­ки, что позволяет использовать микроконтроллер в приборах, построенных на ба­зе токовой петли 4…20 мА. В микроконтроллере сохранены распиновка и тип корпуса для совместимости с микросхемой К1986ВЕ025. Это позволяет в ранее разработанных приборах осуществить быструю миграцию решений на новый микроконтроллер.

Немаловажным элементом микроконтроллера является подсистема батарейного питания и ча­сы реального времени. При отсутствии основного питания счетчик электроэнергии должен продолжать отсчитывать время, а также следить за датчиками проникновения. Эта функциональность возложена на специализированный блок батарейного домена, который при отключении питания продолжает работать от отдельной, внешней батарейки. В этом же блоке расположены часы реального времени. В соответствии с требованиями погрешность их хо­да не должна превышать 5 с за сутки, что сложно осуществить без внешних часовых генераторов. Но в микросхеме MDR1206 используется блок температурной компенсации часов реального времени, который обеспечивает работу внешнего дешевого кварца в заданном допустимом диапазоне. Тем самым опять достигается снижение стоимости прибора в целом.

Достаточно серьезные улучшения бы­ли сделаны в блоке измерительного сигма-дельта АЦП, в частности, доработаны цифровые фильтры блока расчета показателей электроэнергии, добавлены усилители PGA в токовых каналах АЦП, введены дополнительные режимы для более удобной калибровки разброса внешних компонентов измерительного тракта, что позволило значительно повысить точностные характеристики. Также реализован механизм подключения к цифровому вычислителю внешних изолированных АЦП, например микросхемы MDR5103FI (рис. 4), используемых для шунтовых трехфазных приборов учета.

Ris_4.jpg

Рис. 4. Микросхема MDR5103FI изолированного дельта сигма АЦП с изолированным источником питания


Аналого-цифровые  преобразователи

В микроконтроллере MDR1206 реализован 7-канальный 24-битный сигма-дельта АЦП со встроенным блоком цифровой обработки и расчета показаний потребления. Встроенные в микроконтроллер АЦП позволяют делать однофазные счетчики как на ба­зе токовых трансформаторов, так и на основе шунтов. Встроенный аппаратный вычислитель параметров потребления электроэнергии позволяет автоматически получать все основные показания. При этом сохраняется возможность работать с «сырыми» данными, что дает возможность применять микроконтроллер и для обработки любых других данных по иным алгоритмам.

В случае построения трехфазных счетчиков по шунтовой схеме возможно применение изолированных АЦП. Для этого случая АО «ПКК Миландр» разработало специализированную микросхему MDR5103FI, в которой реализована гальваническая изоляция дельта-сигма-модулятора АЦП, обеспечивающая передачу уже цифрового однобитного потока в блок расчета мощности микроконтроллера. При этом основная часть программного обеспечения полностью совместима со случаем использования встроенного АЦП в микроконтроллер MDR1206. Кроме изолированного цифрового канала передачи данных от дельта-сигма-модулятора, в микросхеме MDR5103FI дополнительно реализован изолированный источник питания, что значительно упрощает схему ПУ (рис. 5).

Ris_5_small.png

Рис. 5. Микросхема MDR5103FI (увеличить изображение)

Основные характеристики:
- напряжение питания от 3,0 до 3,6 В;
- ток потребления не более 14 мА;
- пиковое напряжение изоляции не менее 2500 В (может быть уточнено по результатам длительных испытаний);
- максимальное рабочее напряжение изоляции не менее 1200 В (может быть уточнено по результатам длительных испытаний).


Память

Кроме микросхем микроконтроллера и измерительного АЦП, обязательным элементом каждого умного счетчика является микросхема памяти для хранения журнала событий и результатов измерения. Для этого компания «ПКК Миландр» разработала микросхему флеш-памяти MDR2306FI (рис. 6) с объемом 8 МБ (64 Мбит) в миниатюрном корпусе DFN8 5 × 6 мм. Микросхема имеет последовательный интерфейс SPI/QSPI.

Ris_6.jpg

Рис. 6. Микросхема флеш-памяти MDR2306FI

Основные характеристики:
- информационная емкость 64 Мбит;
- наличие последовательного SPI-интерфейса;
- 4 блока по 2 МБ;
- 1024 сектора по 8 кБ;
- размер страницы для программирования 512 байт;
- возможность стирания страницы, сектора и всей памяти;
- функция защиты сектора от стирания и записи (аппаратная проверка сектора для предотвращения стирания и записи);
- аппаратный алгоритм автоматического стирания и верификации страницы, сектора или всей памяти;
- аппаратный алгоритм автоматической записи и верификации данных по указанному адресу;
- программный метод детектирования окончания циклов стирания и записи;
- встроенная схема формирования высоковольтного напряжения программирования и стирания;
- поддержка режимов dual-SPI и quad-SPI;
- поддержка режима Hold – приостановка операций на ши­не SPI посредством внешнего вывода;
- поддержка режимов Program/Erase Suspend – приостановка операций программирования/стирания;
- поддержка режима пониженного энергопотребления;
- время сохранения данных 20 лет;
- напряжение питания от 2,2 до 3,6 В;
- ток потребления в режиме хранения не более 2 мА;
- ток в режиме пониженного энергопотребления не более 200 мкА;
- динамический ток потребления не более 15 мА;
- время выборки не более 6 нс;
- рабочий диапазон температур –40…+105 °C.


Интерфейсы

Основной функцией умных приборов учета является автоматическая передача показаний потребленной энергии. Различные модели счетчиков могут использовать разные интерфейсы передачи данных, как проводные, так и беспроводные. Но обязательным для всех приборов учета является наличие проводного интерфейса RS-485. АО «ПКК Миландр» выпускает большую номенклатуру микросхем приемопередатчиков, но для задач промышленной автоматизации бы­ла специально разработана микросхема MDR3401FI интерфейса RS-485.

Основные характеристики:
- напряжение источника питания от 3,0 до 5,5 В;
- входной импеданс приемника соответствует 1/8 единицы нагрузки, что допускает параллельное включение до 256 микросхем;
- синфазное напряжение шины данных от –7 до +12 В;
- защита от перегрева;
- защита от короткого замыкания;
- скорость передачи данных до 30 Мбит/с;
- температурный диапазон –50…+125 °C.


Питание

Для функционирования прибора учета электроэнергии, как, впрочем, и для любого другого электронного прибора, необходимо обеспечить питание всех его элементов. Поэтому компанией «ПКК Миландр» разрабатывается микросхема (рис. 7), которая является базовым элементом для построения импульсных изолированных и не изолированных преобразователей вторичного электропитания малой мощности до 12 Вт, ти­па AC-DC с диапазоном первичных переменных напряжений от 50 до 300 В и выходных напряжений от 5 до 15 В. Эта микросхема должна обеспечить функциональную замену зарубежного аналога INN3672C. Микросхема состоит из трех полупроводниковых кристаллов и медного петлевого трансформатора обратной связи. Высоковольтный кристалл содержит мощный транзистор и генератор то­ка первичного запуска, кристалл выполнен по высоковольтной технологии с рабочим напряжением до 800 В. Кристалл первичного контроллера выполнен по низковольтной технологии с рабочим напряжением до 70 В, имеет непосредственную связь с высоковольтным кристаллом и управляет режимом работы мощного транзистора. Кристалл вторичного контроллера выполнен по низковольтной технологии с рабочим напряжением до 70 В, имеет гальванически развязанную индуктивную связь с кристаллом первичного контроллера и управляет работой первичного контроллера в зависимости от энергопотребления нагрузки. Петлевой трансформатор обратной связи является внутренней конструктивной частью микросхемы. Трансформатор обеспечивает гальванически развязанную индуктивную связь между вторичным и первичным контроллерами.

Ris_7.png

Рис. 7. Новая микросхема АО «ПКК Миландр» для управления питанием прибора учета электроэнергии

Таким образом, компания АО «ПКК Миландр» планирует создать полный комплект базовых микросхем, используемых в приборах учета электроэнергии. При этом данные микросхемы, в си­лу своей универсальности, могут найти применение и в других видах техники. Бесплатные образцы микросхем предоставляются по запросу.


Концепция построения приборов учета электроэнергии компании «Милур ИС» на ба­зе отечественных микросхем

ООО «Милур Интеллектуальные Системы» учреждено АО «ПКК Миландр» в 2018 го­ду. Перед новой компанией ставились две основные задачи. Во-первых, требовалось непосредственно в рамках одной группы компаний «Миландр» сформировать неразрывную технологическую взаимосвязь между выпускаемыми микросхемами и разрабатываемыми на их основе приборами. А во-вторых, продемонстрировать российскому рынку, что на ба­зе отечественных микросхем можно не только создавать интеллектуальные счетчики электроэнергии, но и успешно конкурировать с другими производителями, которые используют в составе приборов учета зарубежные решения.

За небольшой промежуток времени молодая компания смогла закрепиться на рынке и войти в топ-10 производителей приборов учета. Текущая линейка интеллектуальных приборов учета «Милур 107S/307S» (рис. 8) на ба­зе микроконтроллеров АО «ПКК Миландр» полностью покрывает потребности рынка, включает в се­бя различные модификации, различающиеся конструктивным исполнением, а также набором интерфейсов передачи данных в систему учета электроэнергии (оптический порт, RS-485, радиоканал, GSM, LTE, LoRaWAN, NB-IoT, PLC).

Ris_8.jpg

Рис. 8. Приборы учета «Милур»: а – в корпусе SPLIT для наружной установки с внешним блоком индикации; б – шкафного исполнения, трехфазный и компактный однофазный

Схемотехнические решения, аппаратные и функциональные возможности приборов учета «Милур 107S/307S» соответствуют требованиям ПП РФ от 19.06.2020 № 890 «О порядке предоставления доступа к минимальному набору функций интеллектуальных систем учета электрической энергии (мощности)»; ПАО «Россети» СТО 34.01-5.1-009-2021 «Приборы учета электроэнергии. Общие технические требования»; ГОСТ Р 58940-2020 «Требования к протоколам обмена информацией между компонентами интеллектуальной системы учета и приборами учета».

Компания не стоит на месте. В настоящее время активно ведется разработка обновленной линейки интеллектуальных приборов учета на ба­зе следующего поколения микросхем АО «ПКК Миландр». При этом набор применяемых микросхем будет расширен и, помимо центрального микроконтроллера и интерфейсных микросхем, будут применены: микросхема флеш-памяти, микросхема питания AC-DС, а для приборов учета, построенных на ба­зе измерительных шунтов, микросхема изолированного сигма-дельта-модулятора.

Перспективная линейка интеллектуальных приборов учета строится на ба­зе нового микроконтроллера MDR1206 компании «ПКК Миландр». Этот микроконтроллер был разработан специально для приборов учета, по сравнению с предыдущим поколением имеет увеличенный в два раза (с 256 до 512 кБ) объем внутренней флеш-памяти, а также увеличенную производительность, что позволяет реализовать не только текущие требования к приборам учета электроэнергии, но и иметь запас производительности и внутренней памяти для реализации дополнительной функциональности.

Как уже бы­ло отмечено, микроконтроллер MDR1206 построен на ба­зе процессорного RISC-V-ядра BM-310S от российской компании CloudBEAR. Производство кристаллов освоено на двух независимых фабриках, что способно обеспечить выпуск микросхем в достаточных объемах для выполнения заказов российских производителей интеллектуальных счетчиков электроэнергии. Микроконтроллер предназначен для использования в приборах учета потребляемой электрической энергии в одно- и трехфазных сетях с различными рабочими напряжениями.

За счет наличия в составе микроконтроллера встроенных сигма-дельта АЦП и специализированного вычислительного блока расчета показателей микроконтроллер может быть использован в ПУ, построенных на ба­зе как трансформаторов то­ка, так и измерительных шунтов (рис. 9, 10). В случае, когда используется полностью шунтовая схема, для реализации гальванической развязки по фа­зе используется специализированная микросхема изолированного сигма-дельта-модулятора MDR5103 вместо встроенного АЦП. Изолированный сигма-дельта АЦП подключается непосредственно к блоку вычисления показателей потребления микроконтроллера, и работа с ним практически не отличается от работы со встроенным АЦП.

Такой подход, независимо от внутреннего устройства прибора учета, позволяет выполнить требования ПП РФ № 719 в части использования отечественных микросхем центрального микроконтроллера (за что начисляется 28 баллов) и АЦП в каналах преобразования то­ка и напряжения (13 баллов).

Для хранения накопленных данных, а также журналов зарегистрированных событий применена микросхема флеш-памяти MDR2306 с информационным объемом 64 Мбит. Микросхема флеш-памяти выполнена в миниатюрном корпусе DFN8 5 × 6 мм и подключается к микроконтроллеру по SPI-интерфейсу. Использование микросхем энергонезависимой памяти российского производства позволит набрать дополнительные 12 баллов при оценке на соответствие требованиям ПП РФ № 719.

Для реализации собственного питания прибора учета компанией «ПКК Миландр» разрабатывается микросхема, которая обеспечит функциональную замену зарубежного аналога INN3672C. В качестве основной интерфейсной микросхемы в приборах учета шкафного исполнения используется микросхема MDR3401FI интерфейса RS-485.

Таким образом, применение полного набора отечественных микросхем АО «ПКК Миландр» позволяет набрать 70 из обязательных 90 баллов в 2024 го­ду и 113 баллов в 2025 го­ду при оценке соответствия требованиям ПП РФ № 719 «О подтверждении производства промышленной продукции на территории Российской Федерации».

На рис. 9 и 10 представлены структурные схемы перспективных однофазных приборов учета «Милур 108» и трехфазных «Милур 308».

Ris_9_small.jpg

Рис. 9. Структура однофазного прибора учета «Милур»: а – с трансформаторным включением; б – с шунтовым включением (увеличить изображение)

Ris_10.jpg

Рис. 10. Структура трехфазных приборов учета «Милур»: а – с трансформаторным включением; б – с шунтовым включением

Помимо применения обширной номенклатуры отечественных микросхем АО «ПКК Миландр», в новой линейке будет реализована поддержка модулей СКЗИ, а также расширены коммуникационные возможности приборов учета за счет появления новых интерфейсов связи, в том числе Bluetooth, для подключения приборов учета к мобильным устройствам. В качестве модулей СКЗИ будут применяться решения от разных производителей («Инфотекс», «НТЦ Фискальная Безопасность» и «C-Терра»), что позволит не зависеть от одного поставщика криптографической защиты и использовать ту систему защиты данных, которая выбрана заказчиком для построения интеллектуальной системы учета электроэнергии.

Компания «Милур ИС» в тесном сотрудничестве с АО «ПКК Миландр» уже на протяжении 6 лет успешно реализует стратегию развития отечественной ЭКБ гражданского назначения. Компания не только является флагманом применения отечественных микросхем в приборах учета электроэнергии, но и готова к сотрудничеству с другими предприятиями в части представления своих приборных решений, отвечающих самым жестким современным стандартам.

Опубликовано_в журнале ИСУП № 2(110)_2024

С. С. Шумилин, заместитель генерального
директора по науке,
АО «ПКК Миландр», Зеленоград, г. Москва,
тел.: +7 (495) 981-5433,
e-mail: info@milandr.ru,
сайт: milandr.ru