Atmel M90E36A 能量計量芯片：高精度與多功能的完美結合

在電子工程師的日常工作中，能量計量芯片是一個關鍵的組件，它直接關系到電力系統的精確測量和管理。Atmel 的 M90E36A 能量計量芯片以其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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芯片概述

M90E36A 是一款多相高性能寬動態范圍計量芯片，適用于 0.2S、0.5S 和 1 級的多相電能表，可用于三相四線（3P4W，Y0）或三相三線（3P3W，Y 或 Δ）系統。它還可應用于數據采集終端以及需要測量電壓、電流、THD、DFT、平均功率等參數的功率監測儀器。

芯片特性

計量特性

• 高精度計量：在 6000:1 的動態范圍內，有功能量精度為 ±0.1%，無功能量精度為 ±0.2%。片上參考電壓的溫度系數典型值為 6 ppm/℃。
• 單點校準：各相有功能量在整個動態范圍內可進行單點校準，無功/視在能量無需校準。
• 多參數測量：可測量 Vrms、Irms、平均有功/無功/視在功率、頻率、功率因數和相角等電氣參數，基準誤差小于 ±0.5%。
• 獨立能量寄存器：提供有功（正向/反向）、無功（正向/反向）、視在能量的獨立能量寄存器，能量可通過脈沖輸出或通過能量寄存器讀取，以適應不同應用。
• 可編程閾值：可編程啟動和空載功率閾值，特殊設計的啟動和空載電路可消除各相之間的串擾，在低功率條件下實現更高的精度。
• 專用 ADC：為 A、B、C 相和中性線電流采樣電路配備專用 ADC 和不同增益。電流可通過電流互感器（CT）或羅氏線圈（di/dt 線圈）采樣，A、B、C 相電壓可通過電阻分壓器網絡或電壓互感器（PT）采樣。
• 可編程功率模式：具有正常模式（N 模式）、空閑模式（I 模式）、檢測模式（D 模式）和部分測量模式（M 模式）。
• 諧波分析：提供基波（CF3，0.2%）和諧波（CF4，1%）有功能量的專用能量和功率寄存器，以及 2 - 32 階諧波分量的總諧波失真（THD）和離散傅里葉變換（DFT）功能。

其他特性

• 單電源供電：采用 3.3V 單電源供電，工作電壓范圍為 2.8V - 3.6V，在 3.0V - 3.6V 范圍內保證計量精度。
• SPI 接口：提供四線 SPI 接口，支持直接內存訪問（DMA）模式，可輸出 7 通道 ADC 原始數據。
• 參數診斷和中斷輸出：具有參數診斷功能和可編程的 IRQ 中斷信號和 WarnOut 信號輸出。
• 可編程檢測和輸出：可編程電壓驟降檢測和過零輸出。
• 脈沖輸出：CF1/CF2/CF3/CF4 分別輸出有功/無功/視在能量脈沖和基波/諧波能量脈沖。
• 晶體振蕩器：晶體振蕩器頻率為 16.384 MHz，片上集成兩個電容，無需外部電容。
• 封裝和溫度范圍：采用 TQFP48 封裝，工作溫度范圍為 -40℃ - +85℃。

引腳分配與描述

M90E36A 的引腳分配明確，每個引腳都有其特定的功能。例如，RESET 引腳用于復位芯片，AVDD 和 DVDD 分別為模擬和數字部分提供電源，I1P/I1N 等為各相電流的差分輸入引腳，V1P/V1N 等為各相電壓的差分輸入引腳。詳細的引腳描述可參考數據表中的表格，這里就不一一贅述了。

功能描述

電源供應

M90E36A 采用 3.3V 單電源供電，片上電壓調節器為數字邏輯提供 1.8V 電壓。在空閑和檢測模式下，1.8V 電源調節器不開啟，數字邏輯不供電，除檢測模式相關寄存器外，所有配置的寄存器值將丟失。

時鐘

芯片具有片上振蕩器，可直接連接外部晶體，OSCI 引腳也可由時鐘源驅動。在空閑和檢測功率模式下，振蕩器將斷電。

復位

芯片有三種復位源：RESET 引腳、片上上電復位電路和軟件復位寄存器。三種復位源的復位范圍相同，除諧波比率寄存器外，所有數字邏輯和寄存器都將復位。

計量功能

• 能量寄存器原理：能量累積以 1 MHz 時鐘速率運行，通過累積 DSP 處理器計算的功率值實現。累積能量用于計算 CF 脈沖和相應的內部能量寄存器，內部能量分辨率為 0.01 CF。
• 能量寄存器：可計量未分解的總有功、無功和視在能量，以及分解的有功基波和諧波能量。
• 能量脈沖輸出：CF1 固定為總有功能量輸出，CF2 默認為無功能量輸出，也可配置為視在能量輸出，CF3 為有功基波能量輸出，CF4 為有功諧波能量輸出。
• 啟動和空載功率：有啟動功率閾值寄存器和空載電流閾值寄存器，當功率值低于啟動閾值時，能量不累積，處于空載狀態。

測量功能

可測量的參數包括有功/無功/視在功率、基波/諧波功率、電壓和電流的 RMS 值、功率因數、相角、頻率和溫度等。測量參數除溫度外，是 16 個相電壓周期（50Hz 時約 320ms）的平均值，測量參數更新頻率約為 3Hz。

傅里葉分析功能

芯片提供硬件 DFT 引擎，可對 2 - 32 階諧波分量進行分析，每個相的電壓和電流在同一時間段內處理。

功率模式

M90E36A 有四種功率模式，由 PM1 和 PM0 引腳定義：

• 正常模式（N 模式）：除電流檢測器塊外，所有功能塊均處于活動狀態。
• 空閑模式（I 模式）：所有功能關閉，模擬塊電源供電但電路進入掉電模式，數字 I/O 供電。
• 檢測模式（D 模式）：電流檢測器處于活動狀態，比較各相電流是否超過配置的閾值。
• 部分測量模式（M 模式）：電壓 ADC、中性線 ADC 和數字電路不活動，測量一條線周期的電流 RMS 值。

事件檢測

可檢測過零、電壓驟降、缺相、相序錯誤、中性線過流等事件，并通過相應的狀態位和中斷信號輸出。

DC 和電流 RMS 估計

芯片有一個名為 ‘PMS’ 的模塊，可估計電流通道的 RMS 或算術平均值（DC 分量），在部分測量模式和正常模式下均開啟。

SPI / DMA 接口

接口可工作在從（SPI）模式和主（DMA）模式，由 DMA_CTRL 引腳決定。在 SPI 模式下，數據在 SCLK 的上升沿移入芯片，下降沿移出芯片；在 DMA 模式下，芯片作為主設備，將 ADC 采樣數據輸出到其他設備。

校準方法

正常模式操作校準

• 寄存器配置：通過向 ConfigStart 寄存器寫入 5678H 開始配置系統配置寄存器，自動重置配置寄存器為默認值，編程所有系統配置寄存器，計算并寫入校驗和到 CS0 寄存器，再寫入 8765H 啟用校驗和檢查。
• 測量校準：配置計算通道增益，讀取 Irms/Urms 值，計算補償值并寫入偏移寄存器和增益寄存器。
• 計量校準：先校準功率/能量偏移，再校準能量增益和相角補償。

部分測量模式校準

• 設置輸入電流為零：測量電流平均值，將結果取反后寫入偏移寄存器。
• 計算輸出結果：部分測量結果 = ADC 輸入電壓 PGA 增益 DPGA 增益 * 65536 / 1.2。
• 自定義轉換：用戶需進行自定義轉換以獲得有意義的結果，縮放因子可根據設備進行校準。

寄存器

M90E36A 有眾多寄存器，包括狀態和特殊寄存器、低功耗模式寄存器、配置和校準寄存器、能量寄存器、測量寄存器和諧波傅里葉分析寄存器等。每個寄存器都有其特定的功能和配置方法，工程師可根據需要進行編程和操作。

電氣規格

芯片的電氣規格涵蓋了精度、電源抑制比、ADC 通道、溫度傳感器和參考、電流檢測器、晶體振蕩器、電源供應、工作電流、SPI 和 DMA 接口速率、ESD 和閂鎖等方面。在設計應用時，工程師需根據這些規格進行合理的電路設計和參數選擇。

總結

Atmel M90E36A 能量計量芯片以其高精度、多功能和豐富的特性，為電子工程師提供了一個強大的工具。無論是在電能表設計、數據采集終端還是功率監測儀器等領域，它都能發揮重要作用。在使用這款芯片時，工程師需要深入了解其特性、功能和校準方法，以確保系統的穩定運行和精確測量。

你在使用 M90E36A 芯片的過程中遇到過哪些問題？你對它的哪些特性最感興趣？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。