Atmel M90E36A 电能计量芯片：性能与应用全解析

引言

在电力系统中，准确的电能计量至关重要。Atmel M90E36A 作为一款高性能的多相电能计量 IC，凭借其卓越的性能和丰富的功能，在电能计量领域发挥着重要作用。本文将深入剖析 M90E36A 的特性、应用场景以及技术细节，为电子工程师在设计相关产品时提供全面的参考。

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芯片概述

Atmel M90E36A 是一款多相高性能宽动态范围计量 IC，适用于 0.2S、0.5S 和 1 级的多相电能表，可用于三相四线（3P4W, Y0）或三相三线（3P3W, Y 或 Δ）系统。它集成了 7 个独立的 2 阶 sigma - delta ADC，可用于典型三相四线系统中的三个电压通道（A、B、C 相）和四个电流通道（A、B、C 相和中性线）。同时，芯片内置 DSP，可对 ADC 信号和片上参考电压进行有功、无功、视在能量以及基波和谐波有功能量的计算，还能计算电压和电流的 RMS 值、平均有功/无功/视在功率等测量参数。

特性亮点

计量特性

1. 高精度计量：在 6000:1 的动态范围内，有功能量精度为 ±0.1%，无功能量精度为 ±0.2%，满足了大多数电能计量场景的高精度要求。
2. 温度稳定性：片上参考电压的温度系数典型值为 6 ppm/℃，确保了在不同温度环境下的计量准确性。
3. 单校准点：各相在全动态范围内对有功能量进行单点校准，无功/视在能量无需校准，简化了校准流程。
4. 多参数测量：能够测量 Vrms、Irms、平均有功/无功/视在功率、频率、功率因数和相角等电气参数，且基准误差小于 ±0.5%。
5. 独立能量寄存器：提供有功（正向/反向）、无功（正向/反向）、视在能量的独立能量寄存器，能量可通过脉冲输出或从能量寄存器读取，适应不同应用需求。
6. 低功耗设计：可编程启动和无负载功率阈值，特殊设计的启动和无负载电路可消除各相之间的串扰，在低功率条件下也能保证高精度。
7. 灵活的采样电路：为 A、B、C 相和中性线电流采样电路配备专用 ADC 和不同增益，电流可通过电流互感器（CT）或罗氏线圈（di/dt 线圈）采样，A、B、C 相电压可通过电阻分压器网络或电压互感器（PT）采样。
8. 可编程功率模式：具备正常模式（N 模式）、空闲模式（I 模式）、检测模式（D 模式）和部分测量模式（M 模式），可根据实际需求灵活选择，降低功耗。
9. 谐波分析功能：提供 2 - 32 阶谐波分量的总谐波失真（THD）和离散傅里叶变换（DFT）功能，THD 和 DFT 结果可在 SPI 可访问寄存器中获取，且所有相的电压和电流在同一时间段内处理。
10. 事件检测功能：可检测电压骤降、缺相、反向电压/电流相序、反向流动、计算的中性线电流 (I{NC}) 过流、采样的中性线电流 (I{NS}) 过流以及 THD + N 超阈值等事件。

其他特性

1. 单电源供电：采用 3.3V 单电源供电，工作电压范围为 2.8V - 3.6V，在 3.0V - 3.6V 范围内可保证计量精度。
2. SPI 接口：提供四线 SPI 接口，支持直接内存访问（DMA）模式，可流式输出 7 通道 ADC 原始数据，增强了数据传输的灵活性。
3. 参数诊断和中断输出：具备参数诊断功能和可编程中断输出，可输出 IRQ 中断信号和 WarnOut 信号。
4. 可编程电压骤降检测和过零输出：可根据需求设置电压骤降检测和过零输出，方便系统监控。
5. 脉冲输出：CF1/CF2/CF3/CF4 分别输出有功/无功/视在能量脉冲和基波/谐波能量脉冲。
6. 晶体振荡器：晶体振荡器频率为 16.384 MHz，片上集成两个电容，无需外部电容，简化了电路设计。
7. 封装形式：采用 TQFP48 封装，便于 PCB 布局和焊接。
8. 宽温度范围：工作温度范围为 -40℃ - +85℃，适用于各种恶劣环境。

应用场景

多相电能表

M90E36A 可用于 0.2S、0.5S 和 1 级的多相电能表，满足不同精度要求的电能计量需求，广泛应用于工业、商业和居民用电计量。

数据采集终端

其高精度的计量和丰富的测量功能，使其能够为数据采集终端提供准确的电压、电流、THD、DFT、平均功率等数据，为电力系统的监测和分析提供有力支持。

电力监测仪器

在需要测量电压、电流、THD、DFT、平均功率等参数的电力监测仪器中，M90E36A 能够发挥重要作用，帮助用户实时掌握电力系统的运行状态。

技术细节

引脚分配与描述

M90E36A 共有 48 个引脚，包括电源引脚、输入输出引脚、时钟引脚等。每个引脚都有其特定的功能，例如：

• 复位引脚（Reset）：低电平有效，用于复位芯片，需通过 0.1μF 滤波电容和 10kΩ 电阻连接到 VDD。
• 模拟电源引脚（AVDD）：为模拟部分提供电源，需与 DVDD 连接并通过 0.1μF 电容去耦。
• 数字电源引脚（DVDD）：为数字部分提供电源，需通过 10μF 电容和 0.1μF 电容去耦。
• 电流输入引脚（I1P、I1N 等）：用于输入各相电流，为差分输入。
• 电压输入引脚（V1P、V1N 等）：用于输入各相电压，为差分输入。
• 参考电压输出引脚（Vref）：需通过 10μF 电容、0.1μF 陶瓷电容和 1nF 陶瓷电容去耦。
• 过零输出引脚（ZX0、ZX1、ZX2）：当电压或电流过零时，这些引脚会被置位，过零模式可通过 ZXConfig 寄存器配置。
• 能量脉冲输出引脚（CF1、CF2、CF3、CF4）：分别输出有功、无功、基波有功、谐波有功能量脉冲。
• 中断输出引脚（IRQ0、IRQ1）：当 SysStatus0 或 SysStatus1 寄存器中的某些事件发生时，相应的引脚会被置位。
• 功率模式配置引脚（PM0、PM1）：用于配置芯片的功率模式。
• DMA 使能引脚（DMA_CTRL）：高电平启动 DMA，低电平停止 DMA。
• SPI 接口引脚（CS、SCLK、SDO、SDI）：用于与外部微控制器进行通信。

功能描述

电源供应

M90E36A 采用 3.3V 单电源供电，片上电压调节器为数字逻辑提供 1.8V 电压。在空闲和检测模式下，1.8V 电源调节器不开启，数字逻辑不供电，但检测模式相关寄存器（10H - 13H）的值会保留。从空闲或检测模式转换到部分测量模式或正常模式时，用户需要重新配置寄存器。

时钟

芯片具有片上振荡器，可直接连接外部晶体，OSCI 引脚也可由时钟源驱动。在空闲和检测功率模式下，振荡器会断电。

复位

芯片有三种复位源：RESET 引脚、片上上电复位电路和软件复位。三种复位源的复位范围相同，除了谐波比率寄存器外，所有数字逻辑和寄存器都会被复位。

计量功能

• 能量寄存器原理：能量累积以 1 MHz 时钟速率运行，通过对 DSP 处理器计算的功率值进行累积，相当于对瞬时功率进行数字积分，累积能量用于计算 CF 脉冲和相应的内部能量寄存器。内部能量累积和转换的分辨率为 0.01 CF，在 0.01 CF 内，正向和反向能量会相互抵消，当能量超过 0.01 脉冲时，相应的正向/反向能量会增加。
• 能量寄存器：包括总能量寄存器和基波/谐波能量寄存器。总能量寄存器用于计量未分解的总有功、无功和视在能量，基波/谐波能量寄存器用于计量分解后的有功基波和谐波能量。
• 能量脉冲输出：CF1 固定为总有功能量输出（全相加和），CF2 默认是无功能量输出（全相加和），也可配置为算术和视在能量输出或向量和视在能量输出，CF3 固定为有功基波能量输出（全相加和），CF4 固定为有功谐波能量输出（全相加和）。
• 启动和无负载功率：芯片设有启动功率阈值寄存器和无负载电流阈值寄存器，当相应的全相加和功率大于启动阈值时，芯片开始计量；当功率值低于启动阈值时，能量不累积，处于无负载状态。

测量功能

测量参数包括有功/无功/视在功率、基波/谐波功率、电压和电流的 RMS 值、功率因数、相角、频率和温度。除温度外，其他测量参数是在 16 个相电压周期（50Hz 时约 320ms）内的平均值，测量参数更新频率约为 3Hz。

傅里叶分析功能

芯片提供硬件 DFT 引擎，可对 2 - 32 阶谐波分量进行分析，每个相的电压和电流在同一时间段内处理。DFT 周期为 0.5 秒，分辨率频率间隔为 2Hz，输入样本在送入 DFT 处理器之前会乘以汉宁窗。

功率模式

• 正常模式（N 模式）：除电流检测器模块外，所有功能模块均处于活动状态。
• 空闲模式（I 模式）：所有功能关闭，模拟块电源供电但电路进入掉电模式，数字 I/O 电源供电，输入信号设置为已知状态。
• 检测模式（D 模式）：电流检测器处于活动状态，当某一相或多相电流超过配置的阈值时，IRQ0 或 IRQ1 引脚会被置高。
• 部分测量模式（M 模式）：电压 ADC、中性线 ADC 和数字电路不活动，芯片测量一周期的电流 RMS 值，测量完成后，IRQ0 引脚置高。

事件检测

• 过零检测：检测各相电压和电流基波分量的过零点，过零信号可独立配置和输出。
• 电压骤降检测：通常将骤降阈值设置为参考电压的 78%，当在两个连续的 11ms 时间窗口内，少于三个 8KHz 样本（绝对值）大于骤降阈值时，芯片会生成电压骤降事件。
• 缺相检测：检测是否有一相或多相电压低于缺相阈值电压，处理和处理方式与电压骤降检测类似。
• 中性线过流检测：分别检测采样的中性线电流和计算的中性线电流是否超过阈值，超过阈值时相应的状态位会被置位。
• 相序错误检测：根据 3P4W 和 3P3W 两种情况检测相序，若违反相应标准，则认为相序错误。

DC 和电流 RMS 估计

芯片的“PMS”模块可估计电流通道的 RMS 或电流通道的算术平均值（DC 分量），测量类型由 PMConfig 寄存器定义，可用于部分测量模式和正常模式下的电流 RMS 估计。

SPI / DMA 接口

接口可工作在从模式（SPI）和主模式（DMA），由 DMA_CTRL 引脚决定。

• 从模式（SPI）：当 DMA_CTRL 引脚为低电平时，接口工作在 SPI 模式。数据在 SCLK 的上升沿移入芯片，在下降沿移出芯片。
• 主模式（DMA）：当 DMA_CTRL 引脚为高电平时，接口工作在 DMA 模式，可将 ADC 样本连续输出。

校准方法

正常模式操作校准

• 寄存器配置：通过向 ConfigStart 寄存器写入 5678H 开始配置系统配置寄存器，芯片会自动将配置寄存器重置为默认值，然后编程所有系统配置寄存器，计算并写入校验和到 CS0 寄存器，最后向 ConfigStart 寄存器写入 8765H 启用校验和检查。
• 测量校准：先在 I = 0, U = 0 时校准电流或/和电压的偏移，再在 I = In (Ib), U = Un 时校准电流和电压的增益。
• 计量校准：先校准功率/能量偏移，再在功率因数为 1.0 时校准能量增益，最后在功率因数为 0.5 感性时校准相角补偿。

部分测量模式校准

• 首先将输入电流设置为零，测量电流平均值，将结果取反后写入偏移寄存器。
• 部分测量结果的输出与 ADC 输入电压、PGA 增益、DPGA 增益等有关，用户需要进行转换以获得有意义的结果。

寄存器

芯片的寄存器包括状态和特殊寄存器、低功耗模式寄存器、配置和校准寄存器、能量寄存器、测量寄存器、谐波傅里叶分析寄存器等，每个寄存器都有其特定的功能和用途，用户可通过对寄存器的配置和操作来实现芯片的各种功能。

电气规格

精度

• DC 电源抑制比（PSRR）：在 VDD = 3.3V ± 0.3V, I = 5A, V = 220V, CT 1000:1, 采样电阻 4.8Ω 条件下，典型值为 ±0.1%。
• AC 电源抑制比（PSRR）：在 VDD = 3.3V 叠加 400mVrms, I = 5A, V = 220V, CT 1000:1, 采样电阻 4.8Ω 条件下，典型值为 ±0.1%。
• 有功能量误差（动态范围 6000:1）：在 CT 1000:1, 采样电阻 4.8Ω 条件下，精度为 ±0.1%。

ADC 通道

• 差分输入电压：PGA = 1 时为 0.12mVrms，PGA = 2 时为 0.07mVrms，PGA = 4 时为 0.04mVrms。
• 模拟输入引脚绝对电压范围：GND - 300V 到 VDD + 1200mV。
• 通道输入阻抗：PGA = 1 时为 120KΩ，PGA = 2 时为 80KΩ，PGA = 4 时为 50KΩ。
• 通道采样频率：8kHz。
• 通道采样带宽：2kHz。

温度传感器和参考

• 温度传感器精度：1℃。
• 参考电压：1.2V 到 3.3V（25℃）。
• 参考电压温度系数：从 -40℃ 到 85℃ 时，典型值为 6ppm/℃。

电流检测器

• 电流检测器阈值范围：2 - 4mVrms（3.3V, 25℃）。
• 电流检测器阈值设置步长/分辨率：0.096mVrms（3.3V, 25℃）。
• 电流检测器检测时间（单边）：32ms。
• 电流检测器检测时间（双边）：17ms。

晶体振荡器

振荡器频率为 16.384 MHz，晶体或外部时钟精度为 ±20 ppm，集成 10pF - 20pF 晶体负载电容。

电源供应

• AVDD：2.8V - 3.6V。
• DVDD：2.8V - 3.6V。
• VDD18：1.8V。

工作电流

• 正常模式工作电流（I - Normal）：23mA（3.3V, 25℃）。
• 正常模式工作电流（带 DFT 引擎）（I - Normal + DFT）：23.5mA（3.3V, 25℃）。
• 空闲模式工作电流（I - Idle）：0.1 - 4μA。
• 检测模式工作电流（I - Detection）：双边检测时为 180 - 250μA，单边检测时为 100 - 140μA（3.3V, 25℃）。
• **部分测量模式工作电流