Atmel M90E36A 能量計量芯片：高精度與靈活性的完美融合

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的能量計量芯片對于設計出高效、準確的電力監測系統至關重要。Atmel 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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一、芯片概述

M90E36A 是一款多相高性能寬動態范圍計量 IC，專為三相四線（3P4W, Y0）或三相三線（3P3W, Y 或 Δ）系統中的 0.2S、0.5S 和 1 級多相電表設計。它集成了 7 個獨立的二階 sigma - delta ADC，可用于典型三相四線系統中的三個電壓通道（A、B、C 相）和四個電流通道（A、B、C 相和中性線）。同時，芯片內置 DSP，能夠對 ADC 信號和片上參考電壓進行計算，得出有功、無功、視在能量以及基波和諧波有功能量等參數。

二、主要特性

（一）計量特性

1. 高精度計量：在 6000:1 的動態范圍內，有功能量精度可達 ±0.1%，無功能量精度可達 ±0.2%。片上參考電壓的溫度系數典型值為 6 ppm/℃，確保了在不同溫度環境下的穩定計量。
2. 單校準點：各相有功能量在整個動態范圍內只需單點校準，無功/視在能量無需校準，大大簡化了校準過程。
3. 多參數測量：能夠精確測量 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%。
4. 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，并且可以通過脈沖輸出或能量寄存器讀取能量值，以適應不同的應用需求。
5. 可編程閾值：可編程啟動和無負載功率閾值，特殊設計的啟動和無負載電路可消除各相之間的串擾，在低功率條件下也能實現高精度計量。
6. 專用 ADC 和增益：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。
7. 可編程功率模式：支持正常模式（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），可根據實際應用需求靈活選擇。
8. 諧波分析：具備基波（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 次諧波分量的總諧波失真（THD）和離散傅里葉變換（DFT）功能，THD 和 DFT 結果可在 SPI 可訪問寄存器中獲取。
9. 事件檢測：能夠檢測電壓驟降、缺相、反向電壓/電流相序、反向流動、計算的中性線電流 (I{NC}) 過流、采樣的中性線電流 (I{NS}) 過流以及 THD + N 超閾值等事件。

（二）其他特性

1. 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 范圍內可保證計量精度。
2. SPI 接口：提供四線 SPI 接口，并支持直接內存訪問（DMA）模式，可流式輸出 7 通道 ADC 原始數據。
3. 參數診斷和中斷輸出：具備參數診斷功能，可編程 IRQ 中斷信號和 WarnOut 信號的輸出。
4. 可編程電壓驟降檢測和過零輸出：可根據需求設置電壓驟降檢測閾值和過零輸出。
5. 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。
6. 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。
7. 封裝和溫度范圍：采用 TQFP48 封裝，工作溫度范圍為 -40℃ - +85℃。

三、應用領域

1. 多相電表：適用于 0.2S、0.5S 和 1 級多相電表，可用于三相四線或三相三線系統。
2. 數據采集終端：能夠為數據采集終端提供準確的電壓、電流、THD、DFT、平均功率等參數測量。
3. 電力監測儀器：滿足需要測量電壓、電流、THD、DFT、平均功率等參數的電力監測儀器的需求。

四、功能詳解

（一）電源供應

M90E36A 采用 3.3V 單電源供電，片上電壓調節器可將電壓調節為 1.8V 供數字邏輯使用。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，但檢測模式相關寄存器（10H - 13H）的值會保留。從空閑或檢測模式轉換到部分測量模式或正常模式時，用戶需要重新配置寄存器。

（二）時鐘

芯片內置振蕩器，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。

（三）復位

M90E36A 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會被復位。

（四）計量功能

1. 能量寄存器原理：能量積累以 1 MHz 時鐘速率運行，通過對 DSP 處理器計算的功率值進行累加。積累的能量用于計算 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。
2. 能量寄存器：可計量未分解的總有功、無功和視在能量，以及分解后的有功基波和諧波能量。各相和全相和分別有相應的寄存器，共 21 個常規能量寄存器和 16 個基波/諧波能量寄存器。
3. 能量脈沖輸出：CF1 固定為總有功能量輸出（全相和），CF2 默認為無功能量輸出（全相和），也可配置為算術和視在能量輸出或向量和視在能量輸出，CF3 為有功基波能量輸出（全相和），CF4 為有功諧波能量輸出（全相和）。
4. 啟動和無負載功率：設有啟動功率閾值寄存器和無負載電流閾值寄存器，當相應的全相和功率大于啟動閾值時開始計量，功率值低于啟動閾值時不積累能量，處于無負載狀態。

（五）測量功能

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

（六）傅里葉分析功能

芯片提供硬件 DFT 引擎，可對 2 - 32 次諧波分量進行分析，每個相的電壓和電流在同一時間段內處理。DFT 周期為 0.5 秒，分辨率頻率為 2Hz，輸入樣本在送入 DFT 處理器前會乘以漢寧窗。

（七）功率模式

M90E36A 有四種功率模式，由 PM1 和 PM0 引腳定義：

1. 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。
2. 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，輸入信號設置為已知狀態。
3. 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。當一相或多相電流超過閾值時，IRQ0 引腳置高；三相電流均超過閾值時，IRQ1 引腳置高。
4. 部分測量模式（M 模式）：電壓 ADC、中性線 ADC 和數字電路不活動，測量一周期的電流 RMS，測量完成后 IRQ0 引腳置高。

（八）事件檢測

1. 過零檢測：檢測各相電壓和電流基波分量的過零點，過零信號可獨立配置和輸出。
2. 電壓驟降檢測：通常將驟降閾值設置為參考電壓的 78%，當連續兩個 11ms 時間窗口內小于三個 8KHz 樣本（絕對值）大于驟降閾值時，產生驟降事件。
3. 缺相檢測：檢測是否有一相或多相電壓小于缺相閾值電壓，處理方式與驟降檢測類似。
4. 中性線過流檢測：分別對采樣的中性線電流和計算的中性線電流 RMS 進行閾值檢查，超過閾值時相應狀態位設置，并可根據使能位產生 IRQ。
5. 相序錯誤檢測：根據 3P4W 和 3P3W 兩種情況檢測相序，違反標準則認為相序錯誤。

（九）SPI / DMA 接口

接口可工作在從模式（SPI）和主模式（DMA），由 DMA_CTRL 引腳決定。從模式下為正常四線 SPI 接口，主模式下作為主設備將數據轉儲到其他設備。

五、校準方法

（一）正常模式操作校準

1. 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，芯片自動將配置寄存器重置為默認值，然后編寫所有系統配置寄存器，計算并寫入校驗和到 CS0 寄存器，最后向 ConfigStart 寄存器寫入 8765H 啟用校驗和檢查。
2. 測量校準：在 (I = 0)、(U = 0) 時配置計算通道增益，讀取 Irms/Urms 值，計算補償值并寫入偏移寄存器；在 (U = U_n) 時再次讀取 Irms/Urms 值，計算補償值并寫入增益寄存器。
3. 計量校準：先校準功率/能量偏移，在 (I = 0) 時讀取有功和無功功率，計算補償值并寫入偏移寄存器；然后在功率因數為 1.0 時校準能量增益，將 CF1 連接到校準臺，根據校準臺數據計算能量增益并寫入能量增益寄存器；最后在功率因數為 0.5 感性時校準相角補償，將 CF1 連接到校準臺，根據校準臺數據計算相角并寫入相角寄存器。

（二）部分測量模式校準

1. 將輸入電流設置為零，測量電流平均值，將結果寄存器（PMIrmsA/PMIrmsB/PMIrmsC）讀數取反后寫入偏移寄存器。
2. 部分測量結果輸出 = ADC 輸入電壓 PGA 增益 DPGA 增益 * 65536 / 1.2。
3. 用戶需要進行自己的轉換以獲得有意義的結果，軟件中的縮放因子可根據設備進行校準。

六、寄存器詳解

芯片擁有眾多寄存器，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用途，工程師可以根據需要進行配置和讀取。

七、電氣規格

M90E36A 在電氣性能方面表現出色，具有良好的電源抑制比、高精度的計量和測量精度、合適的工作電流和接口時序等。同時，芯片還具備一定的靜電放電（ESD）和閂鎖保護能力。

綜上所述，Atmel M90E36A 能量計量芯片以其高精度、高靈活性和豐富的功能，為電子工程師在電力監測和計量領域提供了一個優秀的解決方案。在實際應用中，工程師可以根據具體需求合理配置芯片的功能和參數，以實現最佳的性能和效果。你在使用這款芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。