Atmel M90E36A 能量計(jì)量芯片：高精度與多功能的完美結(jié)合

在電子工程師的日常工作中，能量計(jì)量芯片是一個(gè)關(guān)鍵的組件，它直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的精確測(cè)量和管理。Atmel 的 M90E36A 能量計(jì)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(lái)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(dòng)態(tài)范圍計(jì)量芯片，適用于 0.2S、0.5S 和 1 級(jí)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(tǒng)。它還可應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集終端以及需要測(cè)量電壓、電流、THD、DFT、平均功率等參數(shù)的功率監(jiān)測(cè)儀器。

芯片特性

計(jì)量特性

• 高精度計(jì)量：在 6000:1 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有功能量精度為 ±0.1%，無(wú)功能量精度為 ±0.2%。片上參考電壓的溫度系數(shù)典型值為 6 ppm/℃。
• 單點(diǎn)校準(zhǔn)：各相有功能量在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)，無(wú)功/視在能量無(wú)需校準(zhǔn)。
• 多參數(shù)測(cè)量：可測(cè)量 Vrms、Irms、平均有功/無(wú)功/視在功率、頻率、功率因數(shù)和相角等電氣參數(shù)，基準(zhǔn)誤差小于 ±0.5%。
• 獨(dú)立能量寄存器：提供有功（正向/反向）、無(wú)功（正向/反向）、視在能量的獨(dú)立能量寄存器，能量可通過(guò)脈沖輸出或通過(guò)能量寄存器讀取，以適應(yīng)不同應(yīng)用。
• 可編程閾值：可編程啟動(dòng)和空載功率閾值，特殊設(shè)計(jì)的啟動(dòng)和空載電路可消除各相之間的串?dāng)_，在低功率條件下實(shí)現(xiàn)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(guò)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(guò)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)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(cè)模式（D 模式）和部分測(cè)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(nèi)保證計(jì)量精度。
• SPI 接口：提供四線 SPI 接口，支持直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）模式，可輸出 7 通道 ADC 原始數(shù)據(jù)。
• 參數(shù)診斷和中斷輸出：具有參數(shù)診斷功能和可編程的 IRQ 中斷信號(hào)和 WarnOut 信號(hào)輸出。
• 可編程檢測(cè)和輸出：可編程電壓驟降檢測(cè)和過(guò)零輸出。
• 脈沖輸出：CF1/CF2/CF3/CF4 分別輸出有功/無(wú)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(gè)電容，無(wú)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(gè)引腳都有其特定的功能。例如，RESET 引腳用于復(fù)位芯片，AVDD 和 DVDD 分別為模擬和數(shù)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(xì)的引腳描述可參考數(shù)據(jù)表中的表格，這里就不一一贅述了。

功能描述

電源供應(yīng)

M90E36A 采用 3.3V 單電源供電，片上電壓調(diào)節(jié)器為數(shù)字邏輯提供 1.8V 電壓。在空閑和檢測(cè)模式下，1.8V 電源調(diào)節(jié)器不開(kāi)啟，數(shù)字邏輯不供電，除檢測(cè)模式相關(guān)寄存器外，所有配置的寄存器值將丟失。

時(shí)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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)。在空閑和檢測(cè)功率模式下，振蕩器將斷電。

復(fù)位

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

計(jì)量功能

• 能量寄存器原理：能量累積以 1 MHz 時(shí)鐘速率運(yùn)行，通過(guò)累積 DSP 處理器計(jì)算的功率值實(shí)現(xiàn)。累積能量用于計(jì)算 CF 脈沖和相應(yīng)的內(nèi)部能量寄存器，內(nèi)部能量分辨率為 0.01 CF。
• 能量寄存器：可計(jì)量未分解的總有功、無(wú)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(rèn)為無(wú)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(dòng)和空載功率：有啟動(dòng)功率閾值寄存器和空載電流閾值寄存器，當(dāng)功率值低于啟動(dòng)閾值時(shí)，能量不累積，處于空載狀態(tài)。

測(cè)量功能

可測(cè)量的參數(shù)包括有功/無(wú)功/視在功率、基波/諧波功率、電壓和電流的 RMS 值、功率因數(shù)、相角、頻率和溫度等。測(cè)量參數(shù)除溫度外，是 16 個(gè)相電壓周期（50Hz 時(shí)約 320ms）的平均值，測(cè)量參數(shù)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(duì) 2 - 32 階諧波分量進(jìn)行分析，每個(gè)相的電壓和電流在同一時(shí)間段內(nèi)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(cè)器塊外，所有功能塊均處于活動(dòng)狀態(tài)。
• 空閑模式（I 模式）：所有功能關(guān)閉，模擬塊電源供電但電路進(jìn)入掉電模式，數(shù)字 I/O 供電。
• 檢測(cè)模式（D 模式）：電流檢測(cè)器處于活動(dòng)狀態(tài)，比較各相電流是否超過(guò)配置的閾值。
• 部分測(cè)量模式（M 模式）：電壓 ADC、中性線 ADC 和數(shù)字電路不活動(dòng)，測(cè)量一條線周期的電流 RMS 值。

事件檢測(cè)

可檢測(cè)過(guò)零、電壓驟降、缺相、相序錯(cuò)誤、中性線過(guò)流等事件，并通過(guò)相應(yīng)的狀態(tài)位和中斷信號(hào)輸出。

DC 和電流 RMS 估計(jì)

芯片有一個(gè)名為 ‘PMS’ 的模塊，可估計(jì)電流通道的 RMS 或算術(shù)平均值（DC 分量），在部分測(cè)量模式和正常模式下均開(kāi)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(shù)據(jù)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(shè)備，將 ADC 采樣數(shù)據(jù)輸出到其他設(shè)備。

校準(zhǔn)方法

正常模式操作校準(zhǔn)

• 寄存器配置：通過(guò)向 ConfigStart 寄存器寫入 5678H 開(kāi)始配置系統(tǒng)配置寄存器，自動(dòng)重置配置寄存器為默認(rèn)值，編程所有系統(tǒng)配置寄存器，計(jì)算并寫入校驗(yàn)和到 CS0 寄存器，再寫入 8765H 啟用校驗(yàn)和檢查。
• 測(cè)量校準(zhǔn)：配置計(jì)算通道增益，讀取 Irms/Urms 值，計(jì)算補(bǔ)償值并寫入偏移寄存器和增益寄存器。
• 計(jì)量校準(zhǔn)：先校準(zhǔn)功率/能量偏移，再校準(zhǔn)能量增益和相角補(bǔ)償。

部分測(cè)量模式校準(zhǔn)

• 設(shè)置輸入電流為零：測(cè)量電流平均值，將結(jié)果取反后寫入偏移寄存器。
• 計(jì)算輸出結(jié)果：部分測(cè)量結(jié)果 = ADC 輸入電壓 PGA 增益 DPGA 增益 * 65536 / 1.2。
• 自定義轉(zhuǎn)換：用戶需進(jìn)行自定義轉(zhuǎn)換以獲得有意義的結(jié)果，縮放因子可根據(jù)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。

寄存器

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

電氣規(guī)格

芯片的電氣規(guī)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(cè)器、晶體振蕩器、電源供應(yīng)、工作電流、SPI 和 DMA 接口速率、ESD 和閂鎖等方面。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，工程師需根據(jù)這些規(guī)格進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇。

總結(jié)

Atmel M90E36A 能量計(jì)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(gè)強(qiáng)大的工具。無(wú)論是在電能表設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集終端還是功率監(jiān)測(cè)儀器等領(lǐng)域，它都能發(fā)揮重要作用。在使用這款芯片時(shí)，工程師需要深入了解其特性、功能和校準(zhǔn)方法，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和精確測(cè)量。

你在使用 M90E36A 芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？你對(duì)它的哪些特性最感興趣？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。