Atmel M90E36A 能量计量芯片：高精度与灵活性的完美融合

在电子工程师的日常工作中，选择一款合适的能量计量芯片对于设计出高效、准确的电力监测系统至关重要。Atmel 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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一、芯片概述

M90E36A 是一款多相高性能宽动态范围计量 IC，专为三相四线（3P4W, Y0）或三相三线（3P3W, Y 或 Δ）系统中的 0.2S、0.5S 和 1 级多相电表设计。它集成了 7 个独立的二阶 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，能够对 ADC 信号和片上参考电压进行计算，得出有功、无功、视在能量以及基波和谐波有功能量等参数。

二、主要特性

（一）计量特性

1. 高精度计量：在 6000:1 的动态范围内，有功能量精度可达 ±0.1%，无功能量精度可达 ±0.2%。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稳定计量。
2. 单校准点：各相有功能量在整个动态范围内只需单点校准，无功/视在能量无需校准，大大简化了校准过程。
3. 多参数测量：能够精确测量 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%。
4. 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，并且可以通过脉冲输出或能量寄存器读取能量值，以适应不同的应用需求。
5. 可编程阈值：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实现高精度计量。
6. 专用 ADC 和增益：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。
7. 可编程功率模式：支持正常模式（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），可根据实际应用需求灵活选择。
8. 谐波分析：具备基波（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 次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。
9. 事件检测：能够检测电压骤降、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。

（二）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，并支持直接内存访问（DMA）模式，可流式输出 7 通道 ADC 原始数据。
3. 参数诊断和中断输出：具备参数诊断功能，可编程 IRQ 中断信号和 WarnOut 信号的输出。
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阈值和过零输出。
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。
7. 封装和温度范围：采用 TQFP48 封装，工作温度范围为 -40℃ - +85℃。

三、应用领域

1. 多相电表：适用于 0.2S、0.5S 和 1 级多相电表，可用于三相四线或三相三线系统。
2. 数据采集终端：能够为数据采集终端提供准确的电压、电流、THD、DFT、平均功率等参数测量。
3. 电力监测仪器：满足需要测量电压、电流、THD、DFT、平均功率等参数的电力监测仪器的需求。

四、功能详解

（一）电源供应

M90E36A 采用 3.3V 单电源供电，片上电压调节器可将电压调节为 1.8V 供数字逻辑使用。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。

（二）时钟

芯片内置振荡器，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。

（三）复位

M90E36A 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会被复位。

（四）计量功能

1. 能量寄存器原理：能量积累以 1 MHz 时钟速率运行，通过对 DSP 处理器计算的功率值进行累加。积累的能量用于计算 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。
2. 能量寄存器：可计量未分解的总有功、无功和视在能量，以及分解后的有功基波和谐波能量。各相和全相和分别有相应的寄存器，共 21 个常规能量寄存器和 16 个基波/谐波能量寄存器。
3. 能量脉冲输出：CF1 固定为总有功能量输出（全相和），CF2 默认为无功能量输出（全相和），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 为有功基波能量输出（全相和），CF4 为有功谐波能量输出（全相和）。
4. 启动和无负载功率：设有启动功率阈值寄存器和无负载电流阈值寄存器，当相应的全相和功率大于启动阈值时开始计量，功率值低于启动阈值时不积累能量，处于无负载状态。

（五）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 RMS、功率因数、相角、频率和温度。除温度外，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。

（六）傅里叶分析功能

芯片提供硬件 DFT 引擎，可对 2 - 32 次谐波分量进行分析，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，分辨率频率为 2Hz，输入样本在送入 DFT 处理器前会乘以汉宁窗。

（七）功率模式

M90E36A 有四种功率模式，由 PM1 和 PM0 引脚定义：

1. 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。
2. 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，输入信号设置为已知状态。
3. 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。当一相或多相电流超过阈值时，IRQ0 引脚置高；三相电流均超过阈值时，IRQ1 引脚置高。
4. 部分测量模式（M 模式）：电压 ADC、中性线 ADC 和数字电路不活动，测量一周期的电流 RMS，测量完成后 IRQ0 引脚置高。

（八）事件检测

1. 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。
2. 电压骤降检测：通常将骤降阈值设置为参考电压的 78%，当连续两个 11ms 时间窗口内小于三个 8KHz 样本（绝对值）大于骤降阈值时，产生骤降事件。
3. 缺相检测：检测是否有一相或多相电压小于缺相阈值电压，处理方式与骤降检测类似。
4. 中性线过流检测：分别对采样的中性线电流和计算的中性线电流 RMS 进行阈值检查，超过阈值时相应状态位设置，并可根据使能位产生 IRQ。
5. 相序错误检测：根据 3P4W 和 3P3W 两种情况检测相序，违反标准则认为相序错误。

（九）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。从模式下为正常四线 SPI 接口，主模式下作为主设备将数据转储到其他设备。

五、校准方法

（一）正常模式操作校准

1. 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，芯片自动将配置寄存器重置为默认值，然后编写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。
2. 测量校准：在 (I = 0)、(U = 0) 时配置计算通道增益，读取 Irms/Urms 值，计算补偿值并写入偏移寄存器；在 (U = U_n) 时再次读取 Irms/Urms 值，计算补偿值并写入增益寄存器。
3. 计量校准：先校准功率/能量偏移，在 (I = 0) 时读取有功和无功功率，计算补偿值并写入偏移寄存器；然后在功率因数为 1.0 时校准能量增益，将 CF1 连接到校准台，根据校准台数据计算能量增益并写入能量增益寄存器；最后在功率因数为 0.5 感性时校准相角补偿，将 CF1 连接到校准台，根据校准台数据计算相角并写入相角寄存器。

（二）部分测量模式校准

1. 将输入电流设置为零，测量电流平均值，将结果寄存器（PMIrmsA/PMIrmsB/PMIrmsC）读数取反后写入偏移寄存器。
2. 部分测量结果输出 = ADC 输入电压 PGA 增益 DPGA 增益 * 65536 / 1.2。
3. 用户需要进行自己的转换以获得有意义的结果，软件中的缩放因子可根据设备进行校准。

六、寄存器详解

芯片拥有众多寄存器，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用途，工程师可以根据需要进行配置和读取。

七、电气规格

M90E36A 在电气性能方面表现出色，具有良好的电源抑制比、高精度的计量和测量精度、合适的工作电流和接口时序等。同时，芯片还具备一定的静电放电（ESD）和闩锁保护能力。

综上所述，Atmel M90E36A 能量计量芯片以其高精度、高灵活性和丰富的功能，为电子工程师在电力监测和计量领域提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师可以根据具体需求合理配置芯片的功能和参数，以实现最佳的性能和效果。你在使用这款芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。