Atmel M90E36A 能量计量芯片：高精度与多功能的完美结合

在电子工程师的日常工作中，能量计量芯片是一个关键的组件，它直接关系到电力系统的精确测量和管理。Atmel 的 M90E36A 能量计量芯片以其卓越的性能和丰富的功能，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

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芯片概述

M90E36A 是一款多相高性能宽动态范围计量芯片，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。它还可应用于数据采集终端以及需要测量电压、电流、THD、DFT、平均功率等参数的功率监测仪器。

芯片特性

计量特性

• 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%。片上参考电压的温度系数典型值为 6 ppm/℃。
• 单点校准：各相有功能量在整个动态范围内可进行单点校准，无功/视在能量无需校准。
• 多参数测量：可测量 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，基准误差小于 ±0.5%。
• 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通过能量寄存器读取，以适应不同应用。
• 可编程阈值：可编程启动和空载功率阈值，特殊设计的启动和空载电路可消除各相之间的串扰，在低功率条件下实现更高的精度。
• 专用 ADC：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。
• 可编程功率模式：具有正常模式（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）。
• 谐波分析：提供基波（CF3，0.2%）和谐波（CF4，1%）有功能量的专用能量和功率寄存器，以及 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。

其他特性

• 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 范围内保证计量精度。
• SPI 接口：提供四线 SPI 接口，支持直接内存访问（DMA）模式，可输出 7 通道 ADC 原始数据。
• 参数诊断和中断输出：具有参数诊断功能和可编程的 IRQ 中断信号和 WarnOut 信号输出。
• 可编程检测和输出：可编程电压骤降检测和过零输出。
• 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。
• 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。
• 封装和温度范围：采用 TQFP48 封装，工作温度范围为 -40℃ - +85℃。

引脚分配与描述

M90E36A 的引脚分配明确，每个引脚都有其特定的功能。例如，RESET 引脚用于复位芯片，AVDD 和 DVDD 分别为模拟和数字部分提供电源，I1P/I1N 等为各相电流的差分输入引脚，V1P/V1N 等为各相电压的差分输入引脚。详细的引脚描述可参考数据表中的表格，这里就不一一赘述了。

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，除检测模式相关寄存器外，所有配置的寄存器值将丢失。

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，振荡器将断电。

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寄存器。三种复位源的复位范围相同，除谐波比率寄存器外，所有数字逻辑和寄存器都将复位。

计量功能

• 能量寄存器原理：能量累积以 1 MHz 时钟速率运行，通过累积 DSP 处理器计算的功率值实现。累积能量用于计算 CF 脉冲和相应的内部能量寄存器，内部能量分辨率为 0.01 CF。
• 能量寄存器：可计量未分解的总有功、无功和视在能量，以及分解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，CF2 默认为无功能量输出，也可配置为视在能量输出，CF3 为有功基波能量输出，CF4 为有功谐波能量输出。
• 启动和空载功率：有启动功率阈值寄存器和空载电流阈值寄存器，当功率值低于启动阈值时，能量不累积，处于空载状态。

测量功能

可测量的参数包括有功/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、频率和温度等。测量参数除温度外，是 16 个相电压周期（50Hz 时约 320ms）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。

功率模式

M90E36A 有四种功率模式，由 PM1 和 PM0 引脚定义：

• 正常模式（N 模式）：除电流检测器块外，所有功能块均处于活动状态。
• 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 供电。
• 检测模式（D 模式）：电流检测器处于活动状态，比较各相电流是否超过配置的阈值。
• 部分测量模式（M 模式）：电压 ADC、中性线 ADC 和数字电路不活动，测量一条线周期的电流 RMS 值。

事件检测

可检测过零、电压骤降、缺相、相序错误、中性线过流等事件，并通过相应的状态位和中断信号输出。

DC 和电流 RMS 估计

芯片有一个名为 ‘PMS’ 的模块，可估计电流通道的 RMS 或算术平均值（DC 分量），在部分测量模式和正常模式下均开启。

SPI / DMA 接口

接口可工作在从（SPI）模式和主（DMA）模式，由 DMA_CTRL 引脚决定。在 SPI 模式下，数据在 SCLK 的上升沿移入芯片，下降沿移出芯片；在 DMA 模式下，芯片作为主设备，将 ADC 采样数据输出到其他设备。

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，自动重置配置寄存器为默认值，编程所有系统配置寄存器，计算并写入校验和到 CS0 寄存器，再写入 8765H 启用校验和检查。
• 测量校准：配置计算通道增益，读取 Irms/Urms 值，计算补偿值并写入偏移寄存器和增益寄存器。
• 计量校准：先校准功率/能量偏移，再校准能量增益和相角补偿。

部分测量模式校准

• 设置输入电流为零：测量电流平均值，将结果取反后写入偏移寄存器。
• 计算输出结果：部分测量结果 = ADC 输入电压 PGA 增益 DPGA 增益 * 65536 / 1.2。
• 自定义转换：用户需进行自定义转换以获得有意义的结果，缩放因子可根据设备进行校准。

寄存器

M90E36A 有众多寄存器，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、测量寄存器和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配置方法，工程师可根据需要进行编程和操作。

电气规格

芯片的电气规格涵盖了精度、电源抑制比、ADC 通道、温度传感器和参考、电流检测器、晶体振荡器、电源供应、工作电流、SPI 和 DMA 接口速率、ESD 和闩锁等方面。在设计应用时，工程师需根据这些规格进行合理的电路设计和参数选择。

总结

Atmel M90E36A 能量计量芯片以其高精度、多功能和丰富的特性，为电子工程师提供了一个强大的工具。无论是在电能表设计、数据采集终端还是功率监测仪器等领域，它都能发挥重要作用。在使用这款芯片时，工程师需要深入了解其特性、功能和校准方法，以确保系统的稳定运行和精确测量。

你在使用 M90E36A 芯片的过程中遇到过哪些问题？你对它的哪些特性最感兴趣？欢迎在评论区分享你的经验和想法。