Atmel M90E36A 電能計(jì)量芯片：性能與應(yīng)用全解析

引言

在電力系統(tǒng)中，準(zhǔn)確的電能計(jì)量至關(guān)重要。Atmel M90E36A 作為一款高性能的多相電能計(jì)量 IC，憑借其卓越的性能和豐富的功能，在電能計(jì)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文將深入剖析 M90E36A 的特性、應(yīng)用場景以及技術(shù)細(xì)節(jié)，為電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)提供全面的參考。

文件下載：ATM90E36A-AU-Y.pdf

芯片概述

Atmel M90E36A 是一款多相高性能寬動(dòng)態(tài)范圍計(jì)量 IC，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)。它集成了 7 個(gè)獨(dú)立的 2 階 sigma - delta ADC，可用于典型三相四線系統(tǒng)中的三個(gè)電壓通道（A、B、C 相）和四個(gè)電流通道（A、B、C 相和中性線）。同時(shí)，芯片內(nèi)置 DSP，可對(duì) ADC 信號(hào)和片上參考電壓進(jìn)行有功、無功、視在能量以及基波和諧波有功能量的計(jì)算，還能計(jì)算電壓和電流的 RMS 值、平均有功/無功/視在功率等測量參數(shù)。

特性亮點(diǎn)

計(jì)量特性

1. 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%，無功能量精度為 ±0.2%，滿足了大多數(shù)電能計(jì)量場景的高精度要求。
2. 溫度穩(wěn)定性：片上參考電壓的溫度系數(shù)典型值為 6 ppm/℃，確保了在不同溫度環(huán)境下的計(jì)量準(zhǔn)確性。
3. 單校準(zhǔn)點(diǎn)：各相在全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)對(duì)有功能量進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)，無功/視在能量無需校準(zhǔn)，簡化了校準(zhǔn)流程。
4. 多參數(shù)測量：能夠測量 Vrms、Irms、平均有功/無功/視在功率、頻率、功率因數(shù)和相角等電氣參數(shù)，且基準(zhǔn)誤差小于 ±0.5%。
5. 獨(dú)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(dú)立能量寄存器，能量可通過脈沖輸出或從能量寄存器讀取，適應(yīng)不同應(yīng)用需求。
6. 低功耗設(shè)計(jì)：可編程啟動(dòng)和無負(fù)載功率閾值，特殊設(shè)計(jì)的啟動(dòng)和無負(fù)載電路可消除各相之間的串?dāng)_，在低功率條件下也能保證高精度。
7. 靈活的采樣電路：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(wǎng)絡(luò)或電壓互感器（PT）采樣。
8. 可編程功率模式：具備正常模式（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(jù)實(shí)際需求靈活選擇，降低功耗。
9. 諧波分析功能：提供 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，THD 和 DFT 結(jié)果可在 SPI 可訪問寄存器中獲取，且所有相的電壓和電流在同一時(shí)間段內(nèi)處理。
10. 事件檢測功能：可檢測電壓驟降、缺相、反向電壓/電流相序、反向流動(dòng)、計(jì)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。

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(nèi)可保證計(jì)量精度。
2. SPI 接口：提供四線 SPI 接口，支持直接內(nèi)存訪問（DMA）模式，可流式輸出 7 通道 ADC 原始數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性。
3. 參數(shù)診斷和中斷輸出：具備參數(shù)診斷功能和可編程中斷輸出，可輸出 IRQ 中斷信號(hào)和 WarnOut 信號(hào)。
4. 可編程電壓驟降檢測和過零輸出：可根據(jù)需求設(shè)置電壓驟降檢測和過零輸出，方便系統(tǒng)監(jiān)控。
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(gè)電容，無需外部電容，簡化了電路設(shè)計(jì)。
7. 封裝形式：采用 TQFP48 封裝，便于 PCB 布局和焊接。
8. 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 -40℃ - +85℃，適用于各種惡劣環(huán)境。

應(yīng)用場景

多相電能表

M90E36A 可用于 0.2S、0.5S 和 1 級(jí)的多相電能表，滿足不同精度要求的電能計(jì)量需求，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和居民用電計(jì)量。

數(shù)據(jù)采集終端

其高精度的計(jì)量和豐富的測量功能，使其能夠?yàn)閿?shù)據(jù)采集終端提供準(zhǔn)確的電壓、電流、THD、DFT、平均功率等數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)的監(jiān)測和分析提供有力支持。

電力監(jiān)測儀器

在需要測量電壓、電流、THD、DFT、平均功率等參數(shù)的電力監(jiān)測儀器中，M90E36A 能夠發(fā)揮重要作用，幫助用戶實(shí)時(shí)掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

技術(shù)細(xì)節(jié)

引腳分配與描述

M90E36A 共有 48 個(gè)引腳，包括電源引腳、輸入輸出引腳、時(shí)鐘引腳等。每個(gè)引腳都有其特定的功能，例如：

• 復(fù)位引腳（Reset）：低電平有效，用于復(fù)位芯片，需通過 0.1μF 濾波電容和 10kΩ 電阻連接到 VDD。
• 模擬電源引腳（AVDD）：為模擬部分提供電源，需與 DVDD 連接并通過 0.1μF 電容去耦。
• 數(shù)字電源引腳（DVDD）：為數(shù)字部分提供電源，需通過 10μF 電容和 0.1μF 電容去耦。
• 電流輸入引腳（I1P、I1N 等）：用于輸入各相電流，為差分輸入。
• 電壓輸入引腳（V1P、V1N 等）：用于輸入各相電壓，為差分輸入。
• 參考電壓輸出引腳（Vref）：需通過 10μF 電容、0.1μF 陶瓷電容和 1nF 陶瓷電容去耦。
• 過零輸出引腳（ZX0、ZX1、ZX2）：當(dāng)電壓或電流過零時(shí)，這些引腳會(huì)被置位，過零模式可通過 ZXConfig 寄存器配置。
• 能量脈沖輸出引腳（CF1、CF2、CF3、CF4）：分別輸出有功、無功、基波有功、諧波有功能量脈沖。
• 中斷輸出引腳（IRQ0、IRQ1）：當(dāng) SysStatus0 或 SysStatus1 寄存器中的某些事件發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的引腳會(huì)被置位。
• 功率模式配置引腳（PM0、PM1）：用于配置芯片的功率模式。
• DMA 使能引腳（DMA_CTRL）：高電平啟動(dòng) DMA，低電平停止 DMA。
• SPI 接口引腳（CS、SCLK、SDO、SDI）：用于與外部微控制器進(jìn)行通信。

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。在空閑和檢測模式下，1.8V 電源調(diào)節(jié)器不開啟，數(shù)字邏輯不供電，但檢測模式相關(guān)寄存器（10H - 13H）的值會(huì)保留。從空閑或檢測模式轉(zhuǎn)換到部分測量模式或正常模式時(shí)，用戶需要重新配置寄存器。

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)。在空閑和檢測功率模式下，振蕩器會(huì)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。三種復(fù)位源的復(fù)位范圍相同，除了諧波比率寄存器外，所有數(shù)字邏輯和寄存器都會(huì)被復(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，通過對(duì) DSP 處理器計(jì)算的功率值進(jìn)行累積，相當(dāng)于對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行數(shù)字積分，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)部能量累積和轉(zhuǎn)換的分辨率為 0.01 CF，在 0.01 CF 內(nèi)，正向和反向能量會(huì)相互抵消，當(dāng)能量超過 0.01 脈沖時(shí)，相應(yīng)的正向/反向能量會(huì)增加。
• 能量寄存器：包括總能量寄存器和基波/諧波能量寄存器?？偰芰考拇嫫饔糜谟?jì)量未分解的總有功、無功和視在能量，基波/諧波能量寄存器用于計(jì)量分解后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（全相加和），CF2 默認(rèn)是無功能量輸出（全相加和），也可配置為算術(shù)和視在能量輸出或向量和視在能量輸出，CF3 固定為有功基波能量輸出（全相加和），CF4 固定為有功諧波能量輸出（全相加和）。
• 啟動(dòng)和無負(fù)載功率：芯片設(shè)有啟動(dòng)功率閾值寄存器和無負(fù)載電流閾值寄存器，當(dāng)相應(yīng)的全相加和功率大于啟動(dòng)閾值時(shí)，芯片開始計(jì)量；當(dāng)功率值低于啟動(dòng)閾值時(shí)，能量不累積，處于無負(fù)載狀態(tài)。

測量功能

測量參數(shù)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(shù)、相角、頻率和溫度。除溫度外，其他測量參數(shù)是在 16 個(gè)相電壓周期（50Hz 時(shí)約 320ms）內(nèi)的平均值，測量參數(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。DFT 周期為 0.5 秒，分辨率頻率間隔為 2Hz，輸入樣本在送入 DFT 處理器之前會(huì)乘以漢寧窗。

功率模式

• 正常模式（N 模式）：除電流檢測器模塊外，所有功能模塊均處于活動(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 電源供電，輸入信號(hào)設(shè)置為已知狀態(tài)。
• 檢測模式（D 模式）：電流檢測器處于活動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)某一相或多相電流超過配置的閾值時(shí)，IRQ0 或 IRQ1 引腳會(huì)被置高。
• 部分測量模式（M 模式）：電壓 ADC、中性線 ADC 和數(shù)字電路不活動(dòng)，芯片測量一周期的電流 RMS 值，測量完成后，IRQ0 引腳置高。

事件檢測

• 過零檢測：檢測各相電壓和電流基波分量的過零點(diǎn)，過零信號(hào)可獨(dú)立配置和輸出。
• 電壓驟降檢測：通常將驟降閾值設(shè)置為參考電壓的 78%，當(dāng)在兩個(gè)連續(xù)的 11ms 時(shí)間窗口內(nèi)，少于三個(gè) 8KHz 樣本（絕對(duì)值）大于驟降閾值時(shí)，芯片會(huì)生成電壓驟降事件。
• 缺相檢測：檢測是否有一相或多相電壓低于缺相閾值電壓，處理和處理方式與電壓驟降檢測類似。
• 中性線過流檢測：分別檢測采樣的中性線電流和計(jì)算的中性線電流是否超過閾值，超過閾值時(shí)相應(yīng)的狀態(tài)位會(huì)被置位。
• 相序錯(cuò)誤檢測：根據(jù) 3P4W 和 3P3W 兩種情況檢測相序，若違反相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為相序錯(cuò)誤。

DC 和電流 RMS 估計(jì)

芯片的“PMS”模塊可估計(jì)電流通道的 RMS 或電流通道的算術(shù)平均值（DC 分量），測量類型由 PMConfig 寄存器定義，可用于部分測量模式和正常模式下的電流 RMS 估計(jì)。

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（SPI）：當(dāng) DMA_CTRL 引腳為低電平時(shí)，接口工作在 SPI 模式。數(shù)據(jù)在 SCLK 的上升沿移入芯片，在下降沿移出芯片。
• 主模式（DMA）：當(dāng) DMA_CTRL 引腳為高電平時(shí)，接口工作在 DMA 模式，可將 ADC 樣本連續(xù)輸出。

校準(zhǔn)方法

正常模式操作校準(zhǔn)

• 寄存器配置：通過向 ConfigStart 寄存器寫入 5678H 開始配置系統(tǒng)配置寄存器，芯片會(huì)自動(dòng)將配置寄存器重置為默認(rèn)值，然后編程所有系統(tǒng)配置寄存器，計(jì)算并寫入校驗(yàn)和到 CS0 寄存器，最后向 ConfigStart 寄存器寫入 8765H 啟用校驗(yàn)和檢查。
• 測量校準(zhǔn)：先在 I = 0, U = 0 時(shí)校準(zhǔn)電流或/和電壓的偏移，再在 I = In (Ib), U = Un 時(shí)校準(zhǔn)電流和電壓的增益。
• 計(jì)量校準(zhǔn)：先校準(zhǔn)功率/能量偏移，再在功率因數(shù)為 1.0 時(shí)校準(zhǔn)能量增益，最后在功率因數(shù)為 0.5 感性時(shí)校準(zhǔn)相角補(bǔ)償。

部分測量模式校準(zhǔn)

• 首先將輸入電流設(shè)置為零，測量電流平均值，將結(jié)果取反后寫入偏移寄存器。
• 部分測量結(jié)果的輸出與 ADC 輸入電壓、PGA 增益、DPGA 增益等有關(guān)，用戶需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換以獲得有意義的結(jié)果。

寄存器

芯片的寄存器包括狀態(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、測量寄存器、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用途，用戶可通過對(duì)寄存器的配置和操作來實(shí)現(xiàn)芯片的各種功能。

電氣規(guī)格

精度

• DC 電源抑制比（PSRR）：在 VDD = 3.3V ± 0.3V, I = 5A, V = 220V, CT 1000:1, 采樣電阻 4.8Ω 條件下，典型值為 ±0.1%。
• AC 電源抑制比（PSRR）：在 VDD = 3.3V 疊加 400mVrms, I = 5A, V = 220V, CT 1000:1, 采樣電阻 4.8Ω 條件下，典型值為 ±0.1%。
• 有功能量誤差（動(dòng)態(tài)范圍 6000:1）：在 CT 1000:1, 采樣電阻 4.8Ω 條件下，精度為 ±0.1%。

ADC 通道

• 差分輸入電壓：PGA = 1 時(shí)為 0.12mVrms，PGA = 2 時(shí)為 0.07mVrms，PGA = 4 時(shí)為 0.04mVrms。
• 模擬輸入引腳絕對(duì)電壓范圍：GND - 300V 到 VDD + 1200mV。
• 通道輸入阻抗：PGA = 1 時(shí)為 120KΩ，PGA = 2 時(shí)為 80KΩ，PGA = 4 時(shí)為 50KΩ。
• 通道采樣頻率：8kHz。
• 通道采樣帶寬：2kHz。

溫度傳感器和參考

• 溫度傳感器精度：1℃。
• 參考電壓：1.2V 到 3.3V（25℃）。
• 參考電壓溫度系數(shù)：從 -40℃ 到 85℃ 時(shí)，典型值為 6ppm/℃。

電流檢測器

• 電流檢測器閾值范圍：2 - 4mVrms（3.3V, 25℃）。
• 電流檢測器閾值設(shè)置步長/分辨率：0.096mVrms（3.3V, 25℃）。
• 電流檢測器檢測時(shí)間（單邊）：32ms。
• 電流檢測器檢測時(shí)間（雙邊）：17ms。

晶體振蕩器

振蕩器頻率為 16.384 MHz，晶體或外部時(shí)鐘精度為 ±20 ppm，集成 10pF - 20pF 晶體負(fù)載電容。

電源供應(yīng)

• AVDD：2.8V - 3.6V。
• DVDD：2.8V - 3.6V。
• VDD18：1.8V。

工作電流

• 正常模式工作電流（I - Normal）：23mA（3.3V, 25℃）。
• 正常模式工作電流（帶 DFT 引擎）（I - Normal + DFT）：23.5mA（3.3V, 25℃）。
• 空閑模式工作電流（I - Idle）：0.1 - 4μA。
• 檢測模式工作電流（I - Detection）：雙邊檢測時(shí)為 180 - 250μA，單邊檢測時(shí)為 100 - 140μA（3.3V, 25℃）。
• **部分測量模式工作電流