78M6610+PSU：单相电源单元的能量测量处理器

在电子设备的设计中，准确的能量测量对于提高设备的性能和效率至关重要。今天我们要介绍的是Maxim Integrated推出的78M6610+PSU，一款专为单相电源设计的单核心能量测量处理器，它在数据中心和IT服务器机房的AC/DC电源转换器输入实时监测方面表现出色。

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产品概述

78M6610+PSU有24引脚QFN或16引脚TSSOP两种封装形式，能有效节省空间。它具备四个模拟输入接口，包括两个差分输入和两个单端输入，可连接电压、电流和两个可选温度传感器。传感器的缩放电压会被输送到采用高分辨率delta - sigma转换器的单转换器前端。嵌入式24位能量测量处理器（EMP）和固件能完成所有必要的计算、补偿和数据格式化，为主机提供准确的实时报告。此外，它还集成了闪存，可存储校准系数和输入配置设置等非易失性数据。

片上资源

时钟管理

78M6610+PSU的时钟源有两种选择：内部微调的RC振荡器或依靠外部晶体的振荡器电路。硬件会自动处理时钟源逻辑，并将时钟分配到设备的其他部分。复位或上电后，若外部时钟可用，设备会在内部振荡器运行1024个时钟周期后自动选择外部时钟，以便外部晶体有足够时间启动。若外部振荡器出现故障，设备会自动切换到内部振荡器，此情况会在ALARMS寄存器中显示。内部RC振荡器经过微调并进行了温度补偿，但对于对线路频率精度要求极高的应用，建议使用外部晶体（仅24引脚QFN封装支持）。

上电复位、看门狗定时器和复位电路

• 上电复位（POR）：片上POR模块会监测电源电压（(V{3P3D})），在上电时初始化内部数字电路。当(V{3P3D})高于最低工作阈值时，POR电路触发并启动复位序列；若电源电压低于最低工作水平，也会对数字电路进行复位。
• 看门狗定时器（WDT）：WDT模块用于检测软件处理错误。嵌入式软件会定期刷新自由运行的看门狗定时器，防止其超时。若WDT超时，则表明软件未按预期顺序执行，系统将启动复位。
• 外部复位引脚（RESET引脚）：24引脚QFN封装提供专用的复位引脚。除内部复位源外，将RESET引脚置为低电平可强制复位。复位时，除时钟管理电路和振荡器继续运行外，设备的所有数字活动停止。外部复位输入经过滤波，以防止在嘈杂环境中出现误复位，RESET引脚需保持低电平至少1µs才会触发复位。

模拟前端和转换

模拟前端（AFE）包含输入多路复用器、delta - sigma A/D转换器、偏置电流参考、电压参考、温度传感器和多个电压故障比较器。

• Delta - Sigma A/D转换器：二阶delta - sigma转换器对模拟输入进行数字化处理，转换后的数据会通过FIR滤波器进行处理。
• 电压参考：片上集成了精密带隙电压参考，采用自动调零技术和生产微调，以减少组件失配和漂移引起的误差，并对电压参考进行数字温度补偿。
• 芯片温度测量：片上集成了芯片温度传感器，用于对电压参考进行数字补偿，同时可向用户报告温度信息。
• 电压和电流输入：外部电压和电流传感器连接到差分电压输入引脚，电压输入引脚的满量程信号电平为(V_{3P3A} ±250 mV)，考虑正弦波形时，最大RMS电压为176.78 mV。为充分利用动态范围，建议共模电压小于±25 mV。
• 温度输入：ATEMP1和ATEMP2为单端输入，可通过外部传感元件（如NTC、RTD等）进行温度测量，一般用于监测散热器或排气空气的工作条件。TEMP2仅在24引脚封装中可用。

24位能量测量处理器（EMP）

78M6610+PSU集成了专用的24位信号处理器，可完成能量测量、报警生成、校准、补偿等所需的所有数字信号处理。

闪存和RAM

该处理器包含8KB的片上闪存，主要存储程序代码、系数、校准数据和配置设置；还包含1.5KB的片上RAM，存储输入和输出寄存器的值，供固件操作使用。

通信外设

提供UART、SPI和I2C三种通信接口选项，但由于I/O引脚共享，一次只能支持一种模式。上电或复位时会对两个引脚进行采样，以确定激活的接口。

多功能数字I/O引脚

MP0和MP1输入/输出引脚目前未使用，引脚有内部上拉电阻，可悬空。

报警引脚（ACFAULT、ACCRIT）

报警引脚用于指示已达到报警条件。可通过专用寄存器对报警阈值和条件进行编程，每个单独报警的状态可通过状态寄存器访问。报警引脚为开漏输出，低电平有效（0 = 报警），需要上拉，可进行线或连接。

功能描述与操作

电压和电流输入调理

传感器输入电压通过单个集成的二阶delta - sigma A/D转换器进行数字化处理。模拟前端包含温度传感器，其输出经数字化后用于温度（增益）补偿。

• 高通滤波器（HPF）和偏移校正：HPF可去除信号路径中的直流成分，从而消除功率和RMS计算值中的直流分量。HPF通过从相应的电压或电流输入中减去偏移寄存器（Voffs、Ioffs）的值来工作。偏移寄存器可由用户设置、通过自动校准程序设置或由固件动态调整。
• 相位补偿：提供相位补偿寄存器，用于补偿电流互感器（CT）或外部滤波器引入的相位误差。相位偏移量由PhaseComp寄存器设置，以ADC采样的小数形式表示，总范围为+/- 4个ADC采样（对于60Hz线路频率，约为+/- 20度）。

电流和电压RMS计算

78M6610+PSU可对电流和电压输入进行真RMS测量。RMS值通过在一段时间间隔（通常称为累积时间）内对电压和电流的瞬时采样值进行平方和计算，然后将结果除以时间间隔内的采样数并取平方根得到。

功率计算和功率因数

该处理器可计算有功功率、无功功率和视在功率，还可计算由电压和电流的基波分量确定的基波功率以及由谐波分量确定的谐波功率。

• 有功功率计算：有功功率通过电压和电流波形的乘积计算得到，得到的波形为瞬时功率信号，其单位为瓦特或焦耳/秒。瞬时功率在N个采样（累积时间）内进行平均，以计算寄存器WATT中的有功功率。
• 视在功率：视在功率（S）是RMS电压（(V{RMS})）和电流（(I{RMS})）的乘积，结果存储在寄存器VA中。
• 功率因数：功率因数（PF）通过有功功率（WATT）除以视在功率（S）计算得到，其符号由有功功率的符号决定。
• 无功功率：无功功率通过电流（i）的瞬时采样值与瞬时正交电压（Vq）的乘积计算得到。正交电压通过对电压采样进行90°相移（正交延迟）获得，采样值在累积时间间隔内进行平均，并更新到VAR寄存器中。

基波和谐波计算

78M6610+PSU可测量电压、电流和功率（有功、无功和视在）的基波和总谐波。用户可通过HARM寄存器选择要提取的单个谐波，默认情况下选择基波（一次谐波）进行计算。

累积间隔

累积间隔模式可由用户通过Accum和AccumCyc寄存器以及线路锁定位进行配置。累积间隔可以锁定到输入的线路电压周期，也可以由Accum寄存器设置。有效采样率为4KS/s，DIVISOR寄存器报告任何给定累积间隔内的实际采样数。

过零检测

该处理器在两个AC输入通道上均具备过零检测功能，可使测量与输入波形的频率同步。过零输出相对于有效过零的时间延迟约为500µs。

报警

78M6610+PSU包含一组用户可配置的报警。大多数报警都有相应的寄存器来存储阈值，当条件超过阈值并持续相应的延迟时间时，会生成报警事件并在报警寄存器中报告，相应的事件计数器也会递增。用户可通过AlarmMask1和AlarmMask2寄存器选择驱动相应报警引脚的报警，通过AlarmSet寄存器强制触发特定报警，通过AlarmReset寄存器清除特定报警，通过AlarmSticky寄存器选择在报警条件消失后仍保持置位的报警位。

电压和电流的最小/最大和峰值跟踪

• 电压和电流最小/最大跟踪：可记录电压和电流的最低和最高RMS值，这些值存储在Vhi、Vlo、Ihi和Ilo寄存器中。要重置这些值，需向相应寄存器写入特定值。
• 电压和电流峰值跟踪：可记录累积间隔内测量到的最高电压和电流值，这些值在每个累积间隔更新，并分别存储在输出寄存器Vpeak和Ipeak中。

X + Y电容电流和I/R电压降补偿

由于78M6610+PSU在电源AC输入级的位置可能因设计而异，为实现高精度测量，需考虑测量点之前的组件。

• X + Y电容补偿：测量点通常位于入口和二极管桥之间，此处的EMI滤波器中的（X + Y）电容电流无法测量，78M6610+PSU会对其进行补偿。由于电容的容差，固件中包含校准程序，以提高电流测量的精度。
• I/R电压降补偿：PCB走线的电阻在高负载时会导致从入口到测量点的电压降，从而影响电压和功率测量。可通过用户可调的系数进行校正，该系数通常由用户针对特定硬件设置，无需校准。

外部温度监测

ATEMP1和ATEMP2输入用于采集外部温度，输入为单端，范围为+/- 250 mV，参考3.3VDC电源（(V{3P3A})）。转换后的值乘以用户可编程增益，结果在EXTEMP寄存器中报告为相对于(V{3P3})的电压降。输出还会与用户可编程寄存器中的值进行比较，当超过该限值时会生成相应的报警。

电压骤降和浪涌检测

该处理器实现了电压骤降检测功能，当线路电压低于可编程阈值时会生成报警。固件会逐样本计算输入电压的尾随均方值（(V{MS})），并将其与Vsag寄存器中的阈值进行比较。若(V{MS})低于阈值，会在Alarms寄存器中设置Vsag位，若在AlarmMask2寄存器中启用了Vsag，则ACCRIT引脚会被置为低电平。

继电器控制

固件包含继电器控制逻辑，提供数字输出RELAYCTRL用于控制继电器。继电器控制可在自主模式或从模式下运行，运行模式由COMMAND寄存器中的AUTORELAY位设置。ALARMS寄存器中的一位会报告RELAYCTRL输出的状态。

• 自主模式：启用自主继电器控制模式时，固件根据输入线路电压控制RELAYCTRL输出的状态。上电时，RELAYCTRL输出无效；当RMS电压在指定的开启阈值（RelayOnMin、RelayOnMax）内持续指定时间（RelayOnTime）时，RELAYCTRL输出将被激活；若RMS电压超过指定的关闭阈值（RelayOffMin、RelayOffMax）持续指定时间（RelayOffTime），则RELAYCTRL输出将被停用。
• 从模式：选择从模式时，可通过AlarmSet和AlarmReset寄存器中的RELAY_ON位手动控制RELAYCTRL输出。
• 激活延迟：继电器控制逻辑允许设置继电器通电和断电的延迟时间，延迟时间相对于电压的过零时刻，以高速采样数表示。

片上校准程序

78M6610+PSU包含电流、电压和温度校准程序，可修改增益和偏移系数，还包含X + Y电容和R电阻补偿系数的校准程序。用户可通过Command寄存器设置并启动校准程序，校准完成后，可通过Save to Flash Command（0xACC2xx）将新系数保存到闪存中作为默认值。

• 电压和电流增益校准：校准电压和电流通道时，需向待校准通道施加稳定的AC电源，并将相应的值输入到相关的目标寄存器（VTarget、ITarget）中。启动校准后，会计算所有输入的RMS值并在指定的测量周期内进行平均，然后计算新的增益并写入相应的增益寄存器。
• 偏移校准：固件提供内置的偏移寄存器（Ioffs、Voffs）校准程序。校准偏移时，应去除所有输入的直流信号，也可在存在AC信号的情况下进行校准。校准过程中，每个输入在整个校准间隔内进行累积，结果除以总采样数并写入相应的偏移寄存器。
• X + Y电容和R补偿系数校准：为提高电流测量的精度，需对测量点之前的滤波器电容电流进行补偿。固件提供校准程序，利用测量的电压、频率和外部功率计测量的目标电流进行校准。
• 片上温度校准：校准片上温度传感器时，用户需先将“T”命令位设置为“1”，防止固件覆盖TempC寄存器，然后将已知的芯片温度写入TempC，最后写入校准命令0xCA0400，更新Toffs参数。
• 外部温度校准：校准外部温度时，用户需先将“X”命令位设置为“1”，防止固件覆盖ExtTemp，然后将已知的外部温度读数写入ExtTemp，最后写入校准命令0xCA0100，更新Xgain参数。

数据访问和可配置性

78M6610+PSU有多个用户可访问的寄存器，用于配置设备和访问结果数据。这些寄存器可通过片上的UART、SPI和I2C串行接口访问。

寄存器描述

输入和输出寄存器具有不同的数据类型，根据其分配和功能而定。数据类型包括无符号整数、有符号整数、无符号缩放整数、有符号缩放整数、无符号定点值、有符号定点值和布尔值等。

缩放寄存器

缩放寄存器可用于设置满量程值和选择相关参数和结果的分辨率。对于电压和电流输入，满量程定义为+/- 250 mV（直流或峰值）。Iscale和Vscale参数需设置为与传感器的满量程范围相匹配。功率缩放寄存器Pscale需通过满量程电压、满量程电流和所需分辨率的乘积来设置。频率、功率因数和温度的缩放寄存器仅设置分辨率。

输出寄存器

输出寄存器提供对测量结果的访问，除非另有说明，这些寄存器为只读。通过UART、SPI或I2C访问时，需将地址除以3。输出寄存器包括命令寄存器、固件版本寄存器、温度寄存器、功率寄存器、电压寄存器、电流寄存器、频率寄存器、报警状态寄存器等。

输入寄存器

输入寄存器用于配置设备、发出命令等。输入寄存器的内容可保存到闪存中，上电或复位时恢复为默认值。输入寄存器包括命令寄存器、相位补偿寄存器、报警掩码寄存器、报警设置寄存器、报警复位寄存器、设备地址寄存器、偏移调整寄存器、累积周期寄存器、目标寄存器、波特率寄存器、温度增益寄存器、HPF系数寄存器、增益设置寄存器等。

继电器配置

通过相关寄存器可配置继电器的操作，包括继电器开启和关闭的最小和最大电压、保持时间、延迟时间等。

DIOState寄存器

DIOState寄存器报告数字输入/输出引脚的状态，未连接或悬空的引脚报告为置位。

报警和报警配置寄存器

• 报警状态寄存器（address 0x30）：为只读输出寄存器，包含报警和其他条件的状态。
• AlarmSticky寄存器（address 0x54）：为输入寄存器，可配置Alarms寄存器中的各个位，使其保持报警状态，直到发出AlarmReset命令。
• AlarmMask1（address 0x09）和AlarmMask2（address 0x51）：允许用户选择驱动相应报警引脚的报警。
• AlarmSet寄存器（address 0x0C）：用于强制触发特定报警，主要用于继电器控制和系统测试。
• AlarmReset寄存器（address 0x0F）：用于清除特定报警。
• 报警配置寄存器（阈值和延迟时间）：包括报警阈值寄存器和报警延迟时间寄存器，用于设置报警的阈值和延迟时间。
• 报警计数器寄存器：在每次报警发生时递增，用户可通过写入零值清除计数器。

命令寄存器

用于向设备发出命令以执行特定任务。使用未在文档中列出的命令可能会导致不可预测和危险的行为。

• 通用设置：允许用户启用UART自动报告、继电器操作、线路锁定模式等功能，这些设置与其他命令一起使用，并在使用Save to Flash Command（0xACC2xx）时作为非易失性设置存储。
• 无操作（0x00xxxx）：允许用户禁用温度更新。
• 保存到闪存命令（0xACC2xx）：用于将校准系数和系统默认值保存到闪存中，上电或复位时，闪存中存储的值将成为新的系统默认值。
• 清除闪存存储0命令（0xACC0xx）：用于清除闪存中的系数，上电或复位时，值将恢复为工厂系统默认值。
• 清除闪存存储1命令（0xACC1xx）：与清除闪存存储0命令一起使用，用于清除闪存中的系数。
• 校准命令（0xCAxxxx）：用于启动所选输入的校准过程，校准完成后，相应的命令位会清除。

串行接口

所有用户寄存器都位于片上RAM的256字（每个24位）区域内，可通过UART、SPI或I2C接口访问。对于字可寻址的SPI和I2C接口，需将文档中的寄存器地址除以3。建议每次事务访问一个或多个字的数据。

串行接口选择

78M6610+PSU提供UART、I2C和SPI接口选项，但一次只能激活一个接口。用户通过配置IFCONFIG和SSB/DIR/SCL引脚来选择接口，上电和复位后会对这些引脚进行采样，用户需在电源开启或复位事件后至少等待10ms，让引脚状态稳定并选择串行接口。

设备地址

• UART：UART接口支持多点通信协议，每个设备通过DevAddr寄存器和Addr0、Addr1引脚配置特定地址。地址更改在电源开启或复位后生效，可通过