带SPI接口的3通道隔离式 Σ-Δ型ADC ADE7912/ADE7913 产品特性 典型应用电路 NEUTRAL PHASE PHASE PHASE B A C ISOLATION BARRIER VM IM PHASE A IP ADE7912/ ADE7913 V2P GNDISO_A GNDMCU 3.3V VM 3.3V IM PHASE B ADE7912/ ADE7913 IP V2P GNDISO_B GNDMCU 3.3V V1P VM IM PHASE C IP ADE7912/ ADE7913 SYSTEM MICROCONTROLLER V1P GNDMCU V2P GNDMCU GNDISO_C 3.3V V1P VM NEUTRAL LINE IM ADE7912/ ADE7913 IP (OPTIONAL) V2P LOAD GNDISO_N EARTH GNDMCU 11115-001 应用 基于三相电流检测 电能质量监测 太阳能逆变器 过程监控 防护器件 隔离传感器接口 工业PLC 3.3V V1P SPI INTERFACE 双通道(ADE7912)或三通道(ADE7913) 24位隔离式Σ-Δ型模数转换 器(同步采样ADC) 集成isoPower隔离式DC-DC转换器 片内温度传感器 四线式SPI串行接口 单个晶振或外部时钟最多可为4个ADE7912/ADE7913器件提供 时钟 多个ADE7912/ADE7913器件同步 电流通道峰值输入范围为±31.25 mV 电压通道峰值输入范围为±500 mV 基准电压漂移：10 ppm/°C(典型值) 3.3 V单电源 20引脚宽体SOIC封装，爬电距离为8.3 mm 工作温度：−40°C至+85°C 安全和法规认证(申请中) UL认证 依据UL 1577，1分钟5000 V rms CSA元件验收通知#5A IEC 61010-1：400 V rms VDE合格证书 DIN VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-12 VIORM = 846 V峰值 图1. 概述 ADE7912/ADE79131是隔离式3通道Σ-Δ型ADC，利用分流 传感器进行三相电能计量。数据和电源隔离采用ADI公司 的iCoupler®技术。ADE7912集成两个24位ADC，而ADE7913 集成三个ADC。电流ADC可在3 kHz信号带宽内提供67 dB信 噪比，而电压ADC可在相同的带宽内提供72 dB信噪比。当分 1 流器用于电流检测时，其中一个通道专门用来测量该分流 器上的电压。最多两个额外的通道专门用于测量电压，通 常采用电阻分压器来检测电压。一个电压通道可用于通过 内部传感器测量芯片温度。ADE7913内置三个通道：一个 电流通道和两个电压通道。ADE7912只有一个电压通道， 其他方面与ADE7913相同。 受美国专利5,952,849号、6,873,065号、7,075,329号、6,262,600号、7,489,526号和7,558,080号保护，其他专利正在申请中。 Rev. 0 Document Feedback Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Technical Support www.analog.com ADI中文版数据手册是英文版数据手册的译文，敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误，ADI不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责。如需确认任何词语的准确性，请参考ADI提供 的最新英文版数据手册。 ADE7912/ADE7913 目录 产品特性 ......................................................................................... 1 应用.................................................................................................. 1 典型应用电路 ................................................................................ 1 概述.................................................................................................. 1 修订历史 ......................................................................................... 2 功能框图 ......................................................................................... 4 技术规格 ......................................................................................... 5 法规认证(申请中).................................................................... 7 隔离和安全相关特性.............................................................. 7 DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10)隔离特性........... 7 时序特性.................................................................................... 8 绝对最大额定值.......................................................................... 10 热阻 .......................................................................................... 10 ESD警告................................................................................... 10 引脚配置和功能描述 ................................................................. 11 典型性能参数 .............................................................................. 13 测试电路 ....................................................................................... 15 术语................................................................................................ 16 工作原理 ....................................................................................... 18 模拟输入.................................................................................. 18 模数转换.................................................................................. 18 基准电压电路 ......................................................................... 20 ADC输出值的CRC ................................................................ 20 温度传感器 ............................................................................. 20 保护配置寄存器的完整性 .................................................. 21 配置寄存器的CRC ................................................................ 21 ADE7912/ADE7913状态....................................................... 21 隔离寿命.................................................................................. 22 应用信息 ....................................................................................... 23 ADE7912/ADE7913用于三相电表 ..................................... 23 ADE7912/ADE7913时钟....................................................... 25 SPI接口..................................................................................... 26 同步多个ADE7912/ADE7913器件 ..................................... 27 电源管理 ....................................................................................... 31 DC-DC转换器 ........................................................................ 31 磁场抗扰度 ............................................................................. 32 上电和初始化程序 ................................................................ 33 硬件复位.................................................................................. 36 软件复位.................................................................................. 36 掉电模式.................................................................................. 36 布局布线指南 .............................................................................. 37 ADE7913评估板 ..................................................................... 39 ADE7912/ADE7913版本....................................................... 39 寄存器列表................................................................................... 41 外形尺寸 ....................................................................................... 44 订购指南.................................................................................. 44 修订历史 2013年11月—修订版0：初始版 Rev. 0 | Page 2 of 44 ADE7912/ADE7913 ADE7912/ADE7913集成isoPower®隔离式DC-DC转换器。该 DC-DC转换器基于ADI公司的iCoupler技术，在3.3 V输入电 源下提供第一级ADC要求的调节电源。 isoPower无需外部 DC/DC隔离模块。iCoupler芯片级变压器技术还能够隔离 ADC第一级和第二级之间的逻辑信号，因此可提供小尺寸、 完全隔离的解决方案。 ADE7912/ADE7913的配置和状态寄存器通过双向SPI串行 端口访问，很容易与微控制器接口。 ADE7912/ADE7913的时钟可来自晶振或外部时钟信号。为 减少系统物料，ADE7912/ADE7913主器件最多可驱动三个 附加ADE7912/ADE7913器件。 多个ADE7912/ADE7913器件可以同步，以便在同一时刻进 行采样，提供相干输出。 ADE7912/ADE7913采用20引脚宽体SOIC无铅封装，爬电距 离为8.3 mm。 Rev. 0 | Page 3 of 44 AD5629R/AD5669R 功能框图 ISOLATION BARRIER 2 8 LDO 3 V2P 20 POWER ISOLATION V1P 18 DATA 7 IP ADC 9 REF ADC 17 DATA DATA ISOLATION 6 IM GND LDO 5 4 VDD TEMP SENSOR ADC VM 19 CLOCK CLOCK DIGITAL BLOCK AND SPI PORT 16 15 14 13 CS SCLK MOSI MISO XTAL2 XTAL1 12 CLKOUT/ DREADY 11 GND VREF 10 11115-003 GNDISO GNDISO ADE7912 1 VDDISO 图2. ADE7912功能框图 ISOLATION BARRIER GNDISO LDO V2P VM V1P IM IP REF GNDISO ADE7913 1 2 8 3 5 4 20 POWER ISOLATION 9 VDD GND LDO TEMP SENSOR 18 ADC DATA ADC ADC CLOCK 17 DATA DATA ISOLATION 6 7 19 CLOCK DIGITAL BLOCK AND SPI PORT 16 15 14 13 CS SCLK MOSI MISO XTAL2 XTAL1 12 CLKOUT/ DREADY 11 GND VREF 10 图3. ADE7913功能框图 Rev. 0 | Page 4 of 44 11115-002 VDDISO ADE7912/ADE7913 技术规格 VDD = 3.3 V ± 10%，GND = 0 V，片内基准电压源，XTAL1 = 4.096 MHz，TMIN至TMAX = −40°C至+85°C，TA = 25°C(典型值)。 表1. 参数 模拟输入1 伪差分信号电压范围 IP和IM引脚之间 伪差分信号电压范围 V1P和VM引脚之间以及 V2P和VM引脚之间 最大VM和IM电压 串扰 至GNDISO的输入阻抗(DC) IP、IM、V1P和V2P引脚 VM引脚 电流通道ADC失调误差 电压通道ADC失调误差 ADC失调温漂 增益误差 增益温漂 最小值 典型值 最大值 单位 测试条件/注释 −31.25 +31.25 mV峰值 IM引脚连接到GNDISO −500 +500 mV峰值 V1P和VM引脚之间以及V2P和VM引脚之间的 伪差分输入，VM引脚连接到GNDISO +25 −90 mV dB −105 dB −25 当IP和V1P输入为满量程时，V2P和VM输 入设为0 V (GNDISO)；当IP和V2P输入为满量 程时，V1P和VM输入设为0 V (GNDISO) 交流电源抑制(PSR) −90 kΩ kΩ mV mV ppm/°C % ppm/°C ppm/°C dB 直流电源抑制(PSR) −80 dB ±5 °C 67 68 72 74 66 68 72 73 −79 −78 −82 −82 83 83 85 85 dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 3300 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 2000 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 825 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 500 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 3300 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 2000 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 825 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 500 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 3300 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 2000 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 825 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 500 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 3300 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 2000 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 825 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 500 Hz 72 74 77 79 dBFS dBFS dBFS dBFS ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 3300 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 2000 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 825 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 500 Hz 温度传感器 精度 波形采样—电流通道1 信噪比(SNR) 信纳比(SINAD) 总谐波失真(THD) 无杂散动态范围(SFDR) 电压通道1 信噪比(SNR) 480 240 当V1P和V2P输入为满量程时，IP和IM输入设 为0 V (GNDISO) −2 −35 −500 −4 −135 −65 +500 +4 +135 +65 Rev. 0 | Page 5 of 44 V2通道仅适用于ADE7913 仅V1通道 电流通道 V1和V2通道 VDD = 3.3 V + 120 mV rms (50 Hz/100 Hz), IP = V1P = V2P = GNDISO VDD = 3.3 V ± 330 mV dc, IP = 6.25 mV rms, V1P = V2P = 100 mV rms ADE7912/ADE7913 参数 信纳比(SINAD) 最小值 总谐波失真(THD) 无杂散动态范围(SFDR) CLKIN2 输入时钟频率CLKIN CLKIN占空比 XTAL1逻辑输入 输入高电压VINH 输入低电压VINL XTAL1总电容3 XTAL2总电容3 XTAL1的CLKOUT延迟4 逻辑输入—MOSI、SCLK、CS 输入高电压VINH 输入低电压VINL 输入电流IIN 输入电容CIN 3.6 45 2.97 4 MHz % 4.21 55 12.5 2.7 50 测试条件/注释 ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 3300 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 2000 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 825 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 500 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 3300 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 2000 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 825 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 500 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 3300 Hz ADC_FREQ = 8 kHz, BW = 2000 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 825 Hz ADC_FREQ = 2 kHz, BW = 500 Hz 所有规格CLKIN = 4.096 MHz 100 V V pF pF ns 0.8 15 10 V V nA pF 0.4 V V ISOURCE = 800 µA ISINK = 2 mA V mA mA µA 额定性能 最小值 = 3.3 V − 10%；最大值 = 3.3 V + 10% CONFIG寄存器中的位2 (PWRDWN_EN)清0 CONFIG寄存器中的位2 (PWRDWN_EN)置1 CONFIG寄存器中的位2 (PWRDWN_EN)置1 且XTAL1引脚无CLKIN信号 2.4 电源 VDD引脚 IDD 3 4.096 50 40 40 2.5 2 单位 dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS dBFS 0.8 逻辑输出—CLKOUT/DREADY和MISO 输出高电压VOH 输出低电压VOL 1 典型值 最大值 72 74 77 78 −83 −83 −85 −85 86 86 87 87 3.63 19 3 有关参数定义，请参见术语部分。 CLKIN是ADE7912/ADE7913的内部时钟，指XTAL1引脚提供的时钟频率。 XTAL1/XTAL2总电容指各引脚上的净电容。各电容等于引脚的寄生电容与连接在引脚和GND之间的陶瓷电容之和。详情参见ADE7912/ADE7913时钟部分。 XTAL1的CLKOUT延迟是指CLKOUT功能使能时，从XTAL1引脚的高到低跃迁至CLKOUT/DREADY引脚的同步高到低跃迁的延迟时间。 Rev. 0 | Page 6 of 44 ADE7912/ADE7913 法规认证(申请中) ADE7912/ADE7913正在申请表2所列机构的认可。关于特定交叉隔离波形和绝缘水平下的推荐最大工作电压的更多信息， 请参阅表8和“绝缘寿命”部分。 表2. 法规认证 UL UL 1577器件认可程序认可1 CSA CSA元件验收通知5A批准 单一保护，5000 V rms隔离电压 基本绝缘符合IEC 61010-1标准，400 V rms (564 V峰值)最大工作电压 VDE DIN VDE V 0884-10 2 (VDE V 0884-10): 2006-12认证 加强绝缘，846 V峰值 1 依据UL1577，每个ADE7912/ADE7913器件都经过1秒钟绝缘测试电压≥ 6000 V rms的验证测试(漏电流检测限值为10 μA)。 2 依据DIN V VDE V 0884-10，每个ADE7912/ADE7913器件都经过1秒钟绝缘测试电压≥1,590 V峰值的验证测试(局部放电检测限值为5 pC)。器件标识中的星号(*)表 示通过DIN VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-12认证。 隔离和安全相关特性 表3. 安全相关的关键尺寸和材料特性 参数 额定电介质隔离电压 最小外部气隙(间隙) 符号 最小外部爬电距离 最小内部间隙 漏电阻抗(相对漏电指数) 隔离组 L(l02) L(l01) CTI 数值 5000 8.3 单位 V rms mm 8.3 0.017 min >600 II mm mm V 测试条件/注释 持续1分钟 测量距离从输入端至输出端，沿PCB安装层的空气 最短距离，作为PCB布局的辅助手段 测量输入端至输出端，沿壳体最短距离 隔离距离 IEC 60112 材料组(DIN VDE 0110，1/89，表1) DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10)隔离特性 ADE7912/ADE7913适合安全限制数据范围内的加强电气隔离。通过保护电路保持安全数据。 表4. VDE特性 说明 DIN VDE 0110装置分类 额定电源电压≤ 150 V rms 额定电源电压≤ 300 V rms 额定电源电压≤ 400 V rms 环境分类 污染度(DIN VDE 0110，表1) 最大工作绝缘电压 输入至输出测试电压，方法B1 输入至输出测试电压，方法A 跟随环境测试，子类1 跟随输入和/或安全测试，子类2和子类3 最高允许过压 浪涌隔离电压 安全限值 最高结温 25°C时的总功耗 TS上的绝缘电阻 测试条件/注释 VIORM x 1.875 = Vpd(m)，100%生产测试， tini = tm = 1秒，局部放电 < 5 pC 符号 特性 单位 VIORM Vpd(m) I至IV I至IV I至III 40/105/21 2 846 1592 V峰值 V峰值 1273 V峰值 1018 V峰值 VIOTM VIOSM 6000 6000 V峰值 V峰值 TS PS RS 150 2.78 >109 °C W Ω Vpd(m) VIORM x 1.5 = Vpd(m)，tini = 60秒，tm = 10秒， 局部放电 < 5 pC VIORM x 1.2 = Vpd(m)，tini = 60秒，tm = 10秒， 局部放电 < 5 pC VPEAK = 10 kV，1.2 µs上升时间，50 µs，50% 下降时间 出现故障时允许的最大值(见图4) VIO = 500 V Rev. 0 | Page 7 of 44 ADE7912/ADE7913 3.0 SAFE LIMITING POWER (W) 2.5 2.0 1.5 1.0 0 0 50 100 150 AMBIENT TEMPERATURE (ºC) 200 11115-004 0.5 图4. 热减额曲线，依据DIN V VDE V 0884-10获得的安全限值与壳温的关系 时序特性 VDD = 3.3 V ± 10%，GND = 0 V，片内基准电压源，CLKIN = 4.096 MHz，TMIN至TMAX = −40°C至+85°C。 表5. SPI接口时序参数 参数 CS 至SCLK正边沿 SCLK频率1 SCLK低电平脉冲宽度 SCLK高电平脉冲宽度 SCLK边沿之后数据输出有效时间 SCLK边沿之前数据输入建立时间 SCLK边沿之后数据输入保持时间 数据输出下降时间 数据输出上升时间 SCLK上升时间 SCLK下降时间 CS上升沿之后MISO禁用时间 SCLK边沿之后CS高电平时间 1 符号 tSS tSL tSH tDAV tDSU tDHD tDF tDR tSR tSF tDIS tSFS 通过设计保证最小值和最大值规格。 Rev. 0 | Page 8 of 44 最小值 50 250 80 80 最大值 5600 80 70 20 5 0 20 20 20 20 40 单位 ns kHz ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ns ADE7912/ADE7913 CS tSS tSFS SCLK tSL tSH tDAV tSF tSR tDIS MSB MISO INTERMEDIATE BITS tDF LSB tDR INTERMEDIATE BITS MSB IN MOSI LSB IN 11115-005 tDSU tDHD 图5. SPI接口时序 2mA 1.6V CL 50pF 800µA IOH 图 6. 时序规格的负载电路 Rev. 0 | Page 9 of 44 11115-006 TO OUTPUT PIN IOL ADE7912/ADE7913 绝对最大额定值 除非另有说明，TA = 25°C。 注意，超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性损 坏。这只是额定最值，并不能以这些条件或者在任何其它 超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下，推断器件 能否正常工作。长期在绝对最大额定值条件下工作会影响 器件的可靠性。 表6. 参数 VDD至GND 模拟输入电压至GNDISO、IP、IM、 V1P、V2P、VM 基准输入电压至GNDISO 数字输入电压至GND 数字输出电压至GND 共模瞬变1 工作温度 工业范围 存储温度范围 引脚温度(焊接，10秒)2 1 2 额定值 −0.3 V至+3.7 V −2 V至+2 V −0.3 V至VDD + 0.3 V −0.3 V至VDD + 0.3 V −0.3 V至VDD + 0.3 V 100 kV/µs至+100kV/µs 热阻 θJA和θJC针对最差条件，即器件焊接在电路板上以实现表贴 封装。 表7. 热阻 −40°C至+85°C −65°C至+150°C 260°C 封装类型 20引脚 SOIC_IC 指隔离栅上的共模瞬变。超过绝对最大额定值的共模瞬变可能导致闩锁 或永久损坏。 ADI公司建议RoHS兼容器件焊接使用的回流焊温度曲线应符合JEDEC J-STD-020D.1。有关该标准的最新版本，请参见JEDEC。 θJA 48.0 1 最大值 564 600 单位 °C/W ESD警告 ESD(静电放电)敏感器件。 带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽 管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高能量 ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的ESD 防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。 表7. 热阻 封装类型 交流电压，双极性波形 直流电压，基本绝缘 θJC 6.2 单位 V峰值 V峰值 指隔离栅上的连续电压幅度。详情见“隔离寿命”部分。 Rev. 0 | Page 10 of 44 适用认证 所有认证，50年使用寿命 ADE7912/ADE7913 VDDISO 1 20 GND GNDISO 2 19 VDD V2P 3 18 CS 17 SCLK 16 MOSI 15 MISO V1P 4 VM 5 IM 6 ADE7912/ ADE7913 TOP VIEW (Not to Scale) IP 7 14 XTAL2 LDO 8 13 XTAL1 REF 9 12 CLKOUT/DREADY GNDISO 10 11 GND 11115-007 引脚配置和功能描述 图7. 引脚配置 表9. 引脚功能描述 引脚编号 1 引脚名称 VDDISO 2, 10 GNDISO 3, 4, 5 V2P, V1P, VM 6, 7 IM, IP 8 LDO 9 REF 11, 20 12 GND CLKOUT/DREADY 13 XTAL1 14 XTAL2 15 16 17 MISO MOSI SCLK 说明 隔离副边电源。通过该引脚可以使用3.3 V片内隔离电源。不要将外部负载电路连接至此引脚。 用一个10 µF电容和一个100 nF陶瓷电容并联将此引脚去耦到GNDISO(引脚2)。 隔离副边的接地基准。这些引脚为所有模拟电路提供接地基准。所有模拟电路都应使用这些无 噪声接地基准。这两个引脚不在内部互连。 电压通道的模拟输入。电压通道与电压传感器一起使用。V2P和V1P是伪差分电压输入，对于 额定操作，最大信号电平为VM ± 500 mV。这些引脚配合相关的输入电路使用，如图20所示。 若不使用V1P或V2P，应将其连接到VM引脚。ADE7912无V2P电压通道，因此应将V2P引脚连接 到VM引脚。仅ADE7913提供第二电压通道。 电流通道的模拟输入。电流通道与分流器一起使用。IM和IP是伪差分电压输入，最大差分电平 为±31.25 mV。这些引脚配合相关的输入电路使用，如图20所示。 模拟低压差(LDO)稳压器的2.5 V输出。用一个4.7 µF电容和一个100 nF陶瓷电容并联将此引脚去 耦到GNDISO(引脚10)。不要将外部负载电路连接至此引脚。 基准电压源。通过该引脚可以使用片内基准电压。片内基准电压源的标称值为1.2 V。用一个4.7 µF 电容和一个100 nF陶瓷电容并联将此引脚去耦到GNDISO(引脚10)。 主接地基准。 时钟输出(CLKOUT)。选择CLKOUT功能时(详情参见“同步多个ADE7912/ADE7913器件”部分)， ADE7912/ADE7913在XTAL1引脚产生一个与主时钟同步的数字信号。使用CLKOUT为板上的其他 ADE7912/ADE7913 器件提供时钟。 数据就绪、低电平有效(DREADY)。选择DREADY功能时(详情参见“同步多个ADE7912/ADE7913 器件”部分)，ADE7912/ADE7913产生一个与ADC输出频率同步的低电平有效信号。使用此信号 启动对ADE7912/ADE7913 ADC输出的读取。 主时钟输入。可以通过此逻辑输入提供外部时钟。此引脚可提供另一适当配置的ADE7912/ ADE7913器件的CLKOUT/DREADY信号(详情参见“同步多个ADE7912/ADE7913器件”部分)。或者， XTAL1和XTAL2上可连接一个最大驱动功率为0.5 mW、等效串联电阻(ESR)为20 Ω的晶振，以便为 ADE7912/ADE7913提供时钟源。额定工作性能要求的时钟频率为4.096 MHz，但可以使用最低为 3.6 MHz的频率。详情参见ADE7912/ADE7913时钟部分。 晶振，第二输入。XTAL2和XTAL1上可连接一个最大驱动功率为0.5 mW、ESR为20 Ω的晶振，以 便为ADE7912/ADE7913提供时钟源。 SPI端口的数据输出。用一个10 kΩ电阻上拉此引脚(详情参见ADE7912/ADE7913时钟部分)。 SPI端口的数据输入。 SPI端口的串行时钟输入。所有串行数据传输均与此时钟同步(参见ADE7912/ADE7913时钟部分)。 Rev. 0 | Page 11 of 44 ADE7912/ADE7913 引脚编号 引脚名称 说明 18 19 CS VDD SPI端口的片选信号。 主电源电压。此引脚为ADE7912/ADE7913提供电源电压。额定工作条件下，应将电源电压维 持在3.3 V ± 10%。用一个10 µF电容和一个100 nF陶瓷电容并联将此引脚去耦到GND(引脚20)。 Rev. 0 | Page 12 of 44 ADE7912/ADE7913 典型性能参数 20 0 –20 SNR = 15.00dB THD = –28.08dB SINAD = 14.8dB SFDR = 33.75dB –20 –40 –40 AMPLITUDE (dB) –60 –80 –100 –60 –80 –100 –120 –120 –140 –140 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 FREQUENCY (Hz) –160 11115-108 –160 0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 图11. 电压通道V1 FFT(±500 µV、50 Hz伪差分输入信号， ADC_FREQ = 8 kHz，BW = 3300 Hz) 20 SNR = 6.98dB THD = –20.04dB SINAD = 6.77dB SFDR = 26.65dB –20 1000 FREQUENCY (Hz) 图8. 电流通道FFT(±31.25 mV、50 Hz伪差分输入信号， ADC_FREQ = 8 kHz，BW = 3300 Hz) 0 500 11115-111 AMPLITUDE (dB) 0 SNR = 67.06dB THD = –78.71dB SINAD = 66.78dB SFDR = 83.38dB SNR = 74.18dB THD = –80.44dB SINAD = 73.26dB SFDR = 73.26dB 0 –20 –40 AMPLITUDE (dB) AMPLITUDE (dB) –40 –60 –80 –100 –60 –80 –100 –120 –120 –140 –140 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 FREQUENCY (Hz) –180 11115-109 0 0 2000 2500 3000 0 3500 4000 4500 SNR = 14.68dB THD = –27.97dB SINAD = 14.48dB SFDR = 34.92dB –20 –40 AMPLITUDE (dB) –40 –60 –80 –100 –60 –80 –100 –120 –120 –160 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 FREQUENCY (Hz) 图10. 电压通道V1 FFT(±500 mV、50 Hz伪差分输入信号， ADC_FREQ = 8 kHz，BW = 3300 Hz) –160 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 FREQUENCY (Hz) 图13. 电压通道V2 FFT(±500 µV、50 Hz伪差分输入信号， ADC_FREQ = 8 kHz，BW = 3300 Hz) Rev. 0 | Page 13 of 44 11115-113 –140 –140 11115-110 AMPLITUDE (dB) –20 1500 图12. 电压通道V2 FFT(±500 mV、50 Hz伪差分输入信号， ADC_FREQ = 8 kHz，BW = 3300 Hz) SNR = 74.4dB THD = –80.05dB SINAD = 73.36dB SFDR = 80.75dB 0 1000 FREQUENCY (Hz) 图9. 电流通道FFT(±31.25 µV、50 Hz伪差分输入信号， ADC_FREQ = 8 kHz，BW = 3300 Hz) 20 500 11115-112 –160 –160 100 100 90 90 80 80 NUMBER OF OCCURRENCES 70 60 50 40 30 20 60 50 40 30 20 10 –46 –38 –30 –22 –14 –6 2 10 18 26 34 42 50 TEMPERATURE COEFFICIENT (ppm/°C) 0 11115-114 0 –28 –26 –24 –22 –20 –18 –16 –14 –12 –10 –8 –6 –4 –2 0 100 100 90 90 80 80 NUMBER OF OCCURRENCES 6 8 10 70 60 50 40 30 20 10 70 60 50 40 30 20 10 –56 –48 –40 –32 –24 –16 –8 0 8 16 24 32 40 TEMPERATURE COEFFICIENT (ppm/°C) 0 11115-115 0 –26 –24 –22 –20 –18 –16 –14 –12 –10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 11115-118 NUMBER OF OCCURRENCES 4 图17. 电压通道V1 ADC增益温度系数的累计直方图 (温度范围为+25°C至+85°C) 图14. 电流通道ADC增益温度系数的累计直方图 (温度范围为−40°C至+25°C) 4 TEMPERATURE COEFFICIENT (ppm/°C) 图18. 电压通道V2 ADC增益温度系数的累计直方图 (温度范围为−40°C至+25°C) 图15. 电流通道ADC增益温度系数的累计直方图 (温度范围为+25°C至+85°C) 100 90 90 80 80 NUMBER OF OCCURRENCES 100 70 60 50 40 30 20 10 70 60 50 40 30 20 10 0 –26 –22 –18 –14 –10 –6 –2 2 TEMPERATURE COEFFICIENT (ppm/°C) 11115-116 NUMBER OF OCCURRENCES 2 TEMPERATURE COEFFICIENT (ppm/°C) 11115-117 10 70 11115-119 NUMBER OF OCCURRENCES ADE7912/ADE7913 图16. 电压通道V1 ADC增益温度系数的累计直方图 (温度范围为−40°C至+25°C) 0 –28 –26 –24 –22 –20 –18 –16 –14 –12 –10 –8 –6 –4 –2 0 2 TEMPERATURE COEFFICIENT (ppm/°C) 图19. 电压通道V2 ADC增益温度系数的累计直方图 (温度范围为+25°C至+85°C) Rev. 0 | Page 14 of 44 ADE7912/ADE7913 测试电路 1 10µF 150Ω FERRITE 1kΩ 150Ω FERRITE 33nF 150Ω FERRITE 33nF TP3 100nF 7 TP1 TP4 330kΩ 330kΩ 1kΩ 1kΩ 150Ω FERRITE TP5 GNDISO IP VDD GND TS4148 6 TP2 330kΩ VDDISO 1kΩ 4 IM V1P TS4148 33nF TS4148 5 33nF CLKOUT/DREADY CS ADE7912C/ ADE7913C MISO MOSI VM SCLK TS4148 330kΩ 330kΩ TS4148 3 330kΩ XTAL1 V2P 8 1kΩ 33nF 4.7µF 4.7µF 100nF 100nF XTAL2 LDO 10 9 GNDISO GND 19 3.3V 20 100nF 10µF 12 TO MCU 18 TO MCU 15 16 17 13 14 11 REF 3.3V 1 2 3 4 SAME AS IN ADE7912 C/ ADE7913 C 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 SAME AS IN ADE7912 C/ ADE7913 C 5 6 7 8 9 10 VDDISO CLKOUT/DREADY GNDISO CS V2P MISO V1P MOSI VM ADE7912B/ ADE7913B SCLK IM VDD IP XTAL1 LDO XTAL2 REF GND GNDISO GND VDDISO CLKOUT/DREADY CS GNDISO V2P V1P VM MISO MOSI ADE7912A/ ADE7913A SCLK IM VDD IP XTAL1 LDO XTAL2 REF GND GNDISO GND 12 18 Rev. 0 | Page 15 of 44 10kΩ TO MCU 16 TO MCU 17 TO MCU 19 SAME AS IN ADE7912 C/ ADE7913 C 13 14 11 20 12 18 TO MCU 15 16 17 SAME AS IN ADE7912 C/ ADE7913 C 19 13 14 11 20 NOTES 1. ADE7912 X/ADE7913 X = PHASE X ADE7912/ADE7913, WHERE X = A, B, OR C. 图20. 测试电路 TO MCU 15 4.096MHz 22pF 22pF 11115-008 150Ω FERRITE 2 ADE7912/ADE7913 术语 引脚IP与IM之间、V1P与VM之间、V2P与VM之间的伪差 分信号电压范围 该范围代表IM和VM引脚连接到GNDISO(引脚2)时，为产生 满量程响应，ADC上必须施加的峰峰值伪差分电压。IM和 VM引脚通过抗混叠滤波器连接到GNDISO(参见图20)。图21 显示IP和IM之间的输入电压范围。图22显示V1P和VM之 间以及V2P和VM之间的输入电压范围。 +31.25mV IP 0V 串扰 串扰代表信号的泄漏，泄漏一般是通过电路之间的电容发 生。电流通道的串扰通过如下方式测量：IP和IM引脚连接 到GNDISO(引脚10)，在电压通道的V1P和VM引脚之间以及 V2P和VM引脚之间提供满量程交替差分电压，然后测量电 流通道的输出。V1P电压通道的串扰通过如下方式测量： V1P和VM引脚连接到GNDISO(引脚10)，在IP和V2P引脚之 间提供满量程交替差分电压，然后测量V1P通道的输出。 V2P电压通道的串扰通过如下方式测量：V2P和VM引脚连 接到GNDISO(引脚10)，在IP和V1P引脚之间提供满量程交 替差分电压，然后测量V2P通道的输出。串扰等于接地 ADC输出值与ADC满量程输出值之比。ADC输出采集时间 为2秒。串扰用dB表示。 –31.25mV IM 至地输入阻抗(DC) 至地输入阻抗代表ADC各输入引脚(IP、IM、V1P、V2P和 VM)相对于GNDISO(引脚10)测得的阻抗。 0V IP – IM +31.25mV 差分输入阻抗(DC) 差分输入阻抗代表ADC输入之间测得的阻抗：IP和IM之间、 V1P和VM之间、V2P和VM之间(仅限ADE7913)。 –31.25mV 11115-009 0V ADC失调误差 ADC失调误差是两个输入端连接到GNDISO时测得的平均 ADC输出码与理想ADC输出码之间的差值。失调的幅度取 决于各通道的输入范围。 图21. IP和IM引脚之间的伪差分输入电压范围 +500mV V1P, V2P 0V ADC失调温漂 ADC失调温漂是指失调随温度的变化。在−40°C、+25°C和 +85°C下进行测量。失调温漂通过下式计算： –500mV VM Drift = 0V V1P – VM, V2P – VM Offset (− 40 ) − Offset (25) Offset (85) − Offset (25) max , Offset (25) × (85 − 25) Offset (25) × (− 40 − 25) +500mV 失调温漂用nV/°C表示。 –500mV 11115-010 0V 图22. V1P和VM引脚之间以及V2P和VM引脚之间的 伪差分输入电压范围 最大VM和IM电压范围 该范围代表VM和IM引脚相对于GNDISO(引脚10)的最大允 许电压。 增益误差 ADC的增益误差代表使用内部基准电压源时，测得的ADC 输出码(减去失调)和理想输出码之间的差值(参见“模数转 换”部分)。该差值表示为理想代码的百分比，代表一个电 流或电压通道的总温度误差。 Rev. 0 | Page 16 of 44 ADE7912/ADE7913 增益温漂 此温度系数包括ADC增益的温度变化和内部基准电压源的 温度变化，代表一个电流或电压通道的总温度系数。使用 内部基准电压源时，在−40°C、+25°C和+85°C下测量ADC 增益。然后用下式计算该温度系数： Gain( − 40 ) − Gain(25) Gain(85) − Gain(25) Drift = max , Gain(25) × ( − 40 − 25) Gain(25) × (85 − 25) 增益温漂用ppm/°C表示。 电源抑制(PSR) PSR衡量测量误差占读数的百分比与电源变化的关系。对 于交流PSR测量，首先是在输入引脚的电压为0 V时，获取标 称电源(3.3 V)时的读数。接着向电源引入交流信号(120 mV rms， 50 Hz或100 Hz)，在相同输入信号电平下获取第二个读数。 此交流信号引入的误差表示为读数的百分比(电源抑制比 PSRR)。 PSR = 20 log10 (PSRR). 信噪比(SNR) SNR指实际输入信号的均方根值与奈奎斯特频率以下除谐 波和直流以外所有其它频谱成分的均方根和之比，频谱成 分在2秒窗口内计算。用分贝(dB)表示。 信纳比(SINAD) SINAD指实际输入信号的均方根值与奈奎斯特频率以下包 括谐波但直流除外的所有其它频谱成分的均方根和之比， 频谱成分在2秒窗口内计算。用分贝(dB)表示。 总谐波失真(THD) THD指所有谐波(不包括噪声成分)均方根和与基波均方根 值的比值。频谱成分在2秒窗口内计算。用分贝(dB)表示。 无杂散动态范围(SFDR) SFDR指实际输入信号的均方根值与波形样本测量带宽内的 峰值杂散成分的均方根值之比，频谱成分在2秒窗口内计 算。用相对于满量程的分贝数(dBFS)表示。 对于直流PSR测量，首先是在IP和IM引脚之间的电压为 6.25 mV rms，且V1P和VM引脚之间、V2P和VM引脚之间的 电压为100 mV rms时，获取标称电源(3.3 V)时的读数。然后 将电源改变±10%，并在相同输入信号电平下获得第二个读 数。所引入的误差以读数百分比形式表示(PSRR)。然后， PSR = 20 log10 (PSRR)。 Rev. 0 | Page 17 of 44 ADE7912/ADE7913 工作原理 ADE7913具有三路模拟输入：一个电流通道和两个电压通 道。ADE7912没有第二电压通道。电流通道具有两个全差 分 电 压 输 入 引 脚 IP和 IM， 它 们 支 持 的 最 大 差 分 信 号 为 ±31.25 mV。 VIP最大信号电平也是±31.25 mV。IM输入容许的VIM最大信 号电平为±25 mV。图23显示了电流通道输入的原理图及其 与最大IM引脚电压的关系。 VIP +31.25mV VIP = ±31.25mV MAX PEAK VIM = ±25mV MAX VIP IP –31.25mV IM VIM 11115-033 0V 图23. 电流通道最大输入电平 注意，电流通道用于检测分流器上的电压。这种情况下， 分流器的一个极点成为电表地(参见图33)，因此电流通道 是在伪差分配置下使用，与电压通道配置相似(参见图24)。 电压通道具有两个伪差分单端电压输入引脚：V1P和V2P。这 些单端电压输入相对于VM的最大输入电压为±500 mV。VM 输入容许的最大信号为±25 mV。图24显示了电压通道输入 的原理图及其与最大VM电压的关系。 V1 +500mV V1 = ±500mV MAX PEAK VM = ±25mV MAX V1 V1P OR V2P –500mV VM VM 11115-034 0V 图24. 电压通道最大输入电平 模数转换 ADE7912/ADE7913具有三个二阶Σ-Δ型ADC。为简明起见， 图25显示的是一阶Σ-Δ型ADC框图。转换器由Σ-Δ型调制器 和数字低通滤波器组成，其间通过数字隔离模块隔离。 CLKIN/16 ANALOG LOW-PASS FILTER R C INTEGRATOR + + – VREF LATCHED COMPARATOR – ISOLATION BARRIER DIGITAL LOW-PASS FILTER DIGITAL ISOLATION .....10100101..... 1-BIT DAC 24 11115-035 模拟输入 图25. 一阶Σ-Δ型ADC Σ-Δ型调制器以一定的速率将输入信号转换成由1和0构成 的连续串行流，其中速率由采样时钟决定。在ADE7912/ ADE7913中，采样时钟等于CLKIN/4(当CLKIN = 4.096 MHz 时，它是1.024 MHz)。反馈环路中的1位DAC由串行流驱动。 DAC输出从输入信号中减除。如果环路增益足够高，DAC 输出的平均值(以及相应的位流)就会接近输入信号电平的 平均值。对于任意给定输入值，一个采样间隔内的1位 ADC的输出数据几乎毫无意义。只有对大量样本进行平 均，才能获得有意义的结果。数据通过数字隔离器后，在 ADC的第二部分——数字低通滤波器中完成该均值操作。 通过求取调制器输出的大量位的平均值，低通滤波器产生 与输入信号电平成比例的24位数据字。 Σ-Δ型转换器利用两种技术从1位转换技术实现高分辨率。 第一种技术就是过采样。过采样意味着信号的采样速率(频 率)比目标带宽高出许多倍。例如，当CLKIN = 4.096 MHz时， ADE7912/ADE7913的采样速率为1.024 MHz，目标带宽为 40 Hz至3.3 kHz。过采样具有将量化噪声(采样引起的噪声) 散布于更宽带宽的效果。由于噪声因散布于更宽的带宽而 变得更细，目标带宽中的量化噪声便得以降低，如图26 所示。 然而，单凭过采样还不足以提高目标带宽的信噪比 (SNR)。例如，仅仅为了让SNR增加6 dB(1位)，过采样系数 就需要达到4。为了将过采样率控制在合理范围内，就需 要对量化噪声进行整形，从而使得大多数噪声位于较高频 率中。噪声整形是实现高分辨率所用的第二种技术。在 Σ-Δ型调制器中，噪声是通过积分器进行整形的，该积分 器对量化噪声具有高通响应。通过这种方法，使得大多数 噪声都位于较高频率中，进而可以通过数字低通滤波器移 除。噪声整形如图26所示。 Rev. 0 | Page 18 of 44 ADE7912/ADE7913 ANTIALIAS FILTER (RC) SIGNAL 抗混叠滤波器 图25还显示了ADC输入端上的模拟低通滤波器(RC)。该滤 波器位于ADE7912/ADE7913的外部，其作用是防止出现混 叠。混叠是所有采样系统中都存在的一种缺陷，如图27所 示。混叠是指ADC输入信号中的频率成分(高于ADC采样 速率的一半)出现在频率低于采样速率一半的采样信号中。 高于采样频率(也称为奈奎斯特频率，即512 kHz)一半的频率 成分被镜像或折回到512 kHz以下。所有架构的ADC都会出 现这种情况。图27中，只有采样频率(即1.024 MHz)附近的频 率移动到目标计量带宽(即40 Hz至3.3 kHz或40 Hz至2 kHz) 中。为了衰减高频噪声(接近1.024 MHz)并防止目标带宽出现 失真，必须引入低通滤波器(LPF)。建议使用一个转折频率 为5 kHz的RC滤波器，从而在采样频率为1.024 MHz时获得 足够高的衰减。该滤波器的衰减性能为20 dB/十倍频程，通 常足以消除混叠效应。 SHAPED NOISE SAMPLING FREQUENCY NOISE 0 3.3 4 512 FREQUENCY (kHz) 1024 HIGH RESOLUTION OUTPUT FROM DIGITAL LPF SIGNAL 0 3.3 4 512 FREQUENCY (kHz) 1024 11115-036 NOISE 图26. 模拟调制器中通过过采样和噪声整形实现降噪 目标带宽取决于输入时钟频率、ADC输出频率(由CONFIG 寄存器中的位[5:4] (ADC_FREQ)选择，详情参见“ADC输出 值”部分)和CONFIG寄存器的位7 (BW)。当CLKIN为4.096 MHz 且ADC输出频率为8 kHz时，如果BW清0(默认值)，则ADC 带宽为3.3 kHz。如果BW置1，则ADC带宽为2 kHz。表10显 示了ADC输出频率和ADC带宽与输入时钟(CLKIN)频率的 关系。具体包括三种情况：一是CLKIN = 4.096 MHz，即典型 时钟输入频率；一是CLKIN = 4.21 MHz，即最大时钟输入频 率；一是CLKIN = 3.6 MHz，即最小时钟输入频率。 ALIASING EFFECTS 0 2 4 512 FREQUENCY (kHz) IMAGE FREQUENCIES SAMPLING FREQUENCY 1024 11115-037 DIGITAL FILTER 图27. 混叠效应 表10. ADC输出频率和ADC带宽与CLKIN频率的关系 CLKIN (MHz) 4.096 4.21 3.6 CONFIG寄存器中的 ADC_FREQ位 00 01 10 11 00 01 10 11 00 01 10 11 ADC输出频率(Hz) 8000 4000 2000 1000 8222 4111 2055 1027 7031 3515 1757 878 CONFIG寄存器中的BW位清0时的 ADC带宽(Hz) 3300 1650 825 412 3391 1695 847 423 2900 1450 725 362 Rev. 0 | Page 19 of 44 CONFIG寄存器中的BW位置1时的 ADC带宽(Hz) 2000 1000 500 250 2055 1027 513 256 1757 878 439 219 ADE7912/ADE7913 V2WV REGISTER V1WV REGISTER ADE7912/ADE7913中的所有ADC产生24位带符号输出码。 当电流通道的输入为满量程输入信号31.25 mV、电压通道的 输入为满量程输入信号0.5 V且内部基准电压为1.2 V时，ADC 输出码的标称值为5,320,000，各ADE7912/ADE7913的值 通常在该值上下变化。ADC的输出码范围为0x800000 (−8,388,608)至0x7FFFFF (+8,388,607)；这相当于电流通道上的 ±49.27 mV输入信号电平和电压通道上的±0.788 V输入信号 电平。不过，为了获得额定性能，请勿超过±31.25 mV(电流 通道）和±500 mV(电压通道）的标称范围；只有当输入信 号在限值以内时，才能够保证ADC性能。 23 16 15 23 16 15 16 23 8 8 7 15 0 a71 0 7 16 23 8 8 7 15 0 a48 a47 0 IWV REGISTER 23 16 15 7 16 23 8 a24 a23 8 7 0 15 0 7 + a0 LFSR GENERATOR 图28. ADC输出值的CRC计算 g0 g1 g2 b0 b1 g3 g15 b2 b15 基准电压电路 ADE7912/ADE7913 REF引脚处的基准电压标称值为1.2 V， 这是ADC使用的基准电压。由于片内DC-DC转换器无法为 外部负载供电，因此REF引脚不能用外部独立基准电压源 过载。 ADE7912/ADE7913基准源的电压会随温度而略有漂移。表1 给出了各ADC通道的增益温漂规格。该值包括ADC增益的 温度变化和内部基准电压源的温度变化。 ADC输出值的CRC 在 每 个 输 出 周 期 ， ADE7912/ADE7913都 会 计 算 IWV、 V1WV和V2WV寄存器中存储的ADC输出值的循环冗余校 验(CRC)。CONFIG寄存器的位[5:4] (ADC_FREQ)决定ADC 输出频率，从而也决定了CRC的更新速率。CRC算法基于 CRC-16-CCITT算法。器件从最低有效字节开始将这些寄 存器逐字节地引入基于线性反馈移位寄存器(LFSR)的发生 器，如图28所示。然后从最高有效字节开始使用每个字 节。16位结果写入ADC_CRC寄存器中。 11115-039 a71, a70,....,a2, a1, a0 微控制器一次读取一个ADC输出寄存器，或以突发模式读 取ADC输出寄存器。更多信息参见“SPI读操作”和“突发模 式下的SPI读操作”部分。 FB LFSR ADC输出值 ADC输出值存储在三个24位带符号寄存器中——IWV、 V1WV和V2WV，速率由CONFIG寄存器的位[5:4] (ADC_ FREQ)定义。当CLKIN为4.096 MHz时，依据ADC_FREQ的设置 (00、01、10或11），输出频率分别为8 kHz (CLKIN/512)、4 kHz (CLKIN/1024)、2 kHz (CLKIN/2048)或1 kHz (CLKIN/4096)。 11115-038 ADC传递函数 图29. ADC_CRC计算所用的LFSR发生器 图29显示了LFSR的工作原理。IWV、V1WV和V2WV寄存 器构成LFSR所用的[a71, a70,…, a0]位。位a0是最先进入LFSR 的寄存器的位7；位a71是最后进入LFSR的寄存器(V2WV) 的位16。决定LFSR的公式如下： bi(0) = 1(i = 0, 1, 2, …, 15），即CRC构成位的初始状态。位b0 为最低有效位，位b15为最高有效位。 gi (i = 0, 1, 2, …, 15)为CRC-16-CCITT算法所定义的生成多项式 的系数，如下所示： G(x) = x16 + x12 + x5 + 1 (1) g0 = g5 = g12 = 1 (2) 所有其它gi系数等于0。 FB(j) = aj − 1 XOR b15(j − 1) (3) b0(j) = FB(j) AND g0 (4) bi(j) = FB(j) AND gi XOR bi − 1(j − 1), i = 1, 2, 3, …, 15 (5) 公式3、公式4和公式5必须针对j = 1, 2, …, 72重复。写入 ADC_CRC寄存器的值包含位bi(72)，i = 0, 1, …, 15。 ADC_CRC寄存器可通过执行SPI寄存器读访问或作为SPI突 发模式读操作的一部分来读取。更多信息参见“SPI读操作” 和“突发模式下的SPI读操作”部分。 温度传感器 ADE7912/ADE7913的温度传感器与电压通道的V2P输入复 用。CONFIG寄存器的位3 (TEMP_EN)选择ADE7913的第三个 ADC测量什么。如果TEMP_EN位为0(默认值），则ADC 测量V2P与VM引脚之间的电压。如果TEMP_EN位为1，则 ADC测量温度传感器。对于ADE7912，该ADC始终测量温 度传感器，TEMP_EN位的状态无意义。在ADE7912和 ADE7913中 ， 该 转 换 结 果 均 存 储 在 V2WV寄 存 器 中 。 TEMP_EN位设为1后，温度传感器测量结果稳定下来所需 的时间为5 ms。 Rev. 0 | Page 20 of 44 ADE7912/ADE7913 微控制器中用于计算温度的表达式为： 配置寄存器的CRC temp = 8.72101 × 10−5 × (V2WV + TEMPOS × 211) − 306.47 其中： temp是测得的温度值(°C)。用于将ADE7912/ADE7913提供 的位信息转换为摄氏度的增益默认值为8.72101 × 10−5°C/LSB。 温度测量结果精度为±5°C。 TEMPOS是存储温度传感器失调的8位带符号只读寄存器。 失调信息是在生产过程中计算，并以相反符号存储。例 如 ， 如 果 失 调 为 5， 则 将 −5写 入 ADE7912/ADE7913。 TEMPOS寄存器的1 LSB相当于V2WV寄存器的211 LSB。 除了使用默认增益值外，还可以在仪表整体校准过程中校 准 该 增 益 。 测 量 每 个 ADE7912/ADE7913器 件 的 温 度 TEMP，读取每个ADE7912/ADE7913器件的包含温度传感 器读数的V2WV寄存器，然后用下式计算该增益： Temperature gain = TEMP V 2WV + TEMPOS × 211 在每个输出周期，ADE7912/ADE7913都会计算CONFIG、 EMI_CTRL、TEMPOS寄存器以及STATUS0寄存器的位2 (IC_PROT)、STATUS1寄存器的位7的CRC。CRC算法称为 CRC-16-CCITT。16位结果写入CTRL_CRC寄存器中。 CRC电路的输入寄存器构成64位阵列，器件将其逐位引入 基于LFSR的发生器，与图28和图29类似，一次一个字节， 最低有效字节优先。然后从最高有效字节开始处理每个 字节。 决定LFSR的公式如下： bi(0) = 1(i = 0, 1, 2, …, 15)，即CRC构成位的初始状态。位b0 为最低有效位，位b15为最高有效位。 gi (i = 0, 1, 2, …, 15)为CRC-16-CCITT算法(公式1和公式2)所 定义的生成多项式的系数。 (6) 保护配置寄存器的完整性 FB(j) = aj − 1 XOR b15(j − 1) (7) b0(j) = FB(j) AND g0 (8) bi(j) = FB(j) AND gi XOR bi − 1(j − 1), i = 1, 2, 3, … , 15 (9) ADE7912/ADE7913的 配 置 寄 存 器 是 用 户 可 访 问 寄 存 器 (CONFIG、 EMI_CTRL、 SYNC_SNAP、 COUNTER0和 COUNTER1)或内部寄存器。内部寄存器是用户无法访问 的，必须保持默认值。为了保护所有配置寄存器的完整性， 提供了写保护机制。 公式7、公式8和公式9必须针对j = 1, 2, … , 64重复。写入 CTRL_CRC寄存器的值包含位bi(64)，i = 0, 1, …, 15。由于 各ADE7912/ADE7913器件具有特定的TEMPOS寄存器值， 因此各ADE7912/ADE7913器件具有不同的CTRL_CRC寄存 器默认值。 默认情况下，保护功能是禁用的，用户可访问寄存器的写 入无任何限制。使能保护功能后，不允许写入任何配置寄 存器。无论写保护状态如何，寄存器的读取无任何限制。 ADE7912/ADE7913状态 要使能写保护，应向8位锁定寄存器(地址0xA)写入0xCA。 要禁用写保护，应向8位锁定寄存器写入0x9C。建议在 CONFIG和EMI_CTRL寄存器完成初始化之后使能写保 护。如果需要更改用户可访问寄存器，例如在多个 ADE7912/ADE7913器件的同步过程中，则应禁用写保护， 更改相关寄存器的值，然后重新使能写保护。 ADE7912/ADE7913的STATUS0和STATUS1寄存器中的各位 表示器件的状态。 如果CTRL_CRC寄存器的值发生改变，STATUS0寄存器的 位1 (CRC_STAT)就会置1。读取STATUS0寄存器时，该位清0。 向锁定寄存器写入0xCA以保护配置寄存器之后，STATUS0 寄存器中的位2 (IC_PROT)即置1。读取STATUS0寄存器时，该 位清0，但在下一ADC输出周期，它又变为1。 上 电 时 或 在 硬 件 /软 件 复 位 后 ， ADE7912/ADE7913将 STATUS0寄存器的位0 (RESET_ON)清0以指示复位周期结束。 在一个输出周期中，如果IWV、V1WV和V2WV的ADC输 出值未被读取，则STATUS1寄存器的位3 (ADC_NA)置1。 读取STATUS1寄存器时，该位清0。 STATUS0和STATUS1寄存器可通过执行SPI寄存器读操作来 读取。STATUS0也可作为SPI突发模式读操作的一部分来读 取。更多信息参见“SPI读操作”和“突发模式下的SPI读操作” 部分。 Rev. 0 | Page 21 of 44 ADE7912/ADE7913 图31所示的正弦电压波形仅作为示例提供，它代表任何在 0 V与某一限值之间变化的电压波形。该限值可以为正值或 负值，但电压不能穿过0 V。 RATED PEAK VOLTAGE 0V ADE7912/ADE7913的隔离寿命由施加在隔离栅上的电压波 形决定。iCoupler结构的隔离度以不同速率衰减，这由波 形是否为双极性交流、单极性交流或直流决定。图30、图31 和图32显示这些不同隔离电压的波形。 双极性交流电压是最苛刻的环境。双极性交流条件下50年 工作寿命的目标决定ADI公司推荐的最大工作电压。在单 极性交流或者直流电压的情况下，隔离应力显然低得多。 因此，即便在更高的工作电压条件下，器件的工作寿命仍 可达到50年。 11115-040 表8中显示的值总结了双极性交流工作条件下50年工作寿 命的CSA/VDE认可最大工作电压。许多情况下，认可工作 电压高于50年工作寿命电压。某些情况下，在这些高工作 电压下工作会导致隔离寿命缩短。 图30. 双极性交流波形 RATED PEAK VOLTAGE 11115-041 所有的隔离结构在长时间的电压作用下，最终会被破坏。 隔离衰减率由施加在隔离层上的电压波形特性决定。除了 由监管机构进行测试，ADI公司也进行一系列广泛的评估 来确定ADE7912/ADE7913内部隔离架构的寿命。ADI公司 使用超过额定连续工作电压的电压执行加速寿命测试。确 定多种工作条件下的加速系数，利用这些系数可以计算实 际工作电压下的失效时间。 表8中列出的工作电压在维持50年最低工作寿命的前提 下，提供了符合单极性交流或者直流电压情况的工作电 压。任何与图31或图32不一致的横跨隔离的电压波形都应 被认为是双极性交流波形，其峰值电压应限制在表8中列 出的50年工作寿命电压以下。 0V 图31. 单极性交流波形 RATED PEAK VOLTAGE 11115-042 隔离寿命 0V 图32. 直流波形 Rev. 0 | Page 22 of 44 ADE7912/ADE7913 应用信息 ADE7912/ADE7913用于三相电表 ADE7912/ADE7913设计用于三相电能计量系统，其中一个 带SPI接口的主器件(通常是微控制器)管理两个、三个或四 个ADE7912/ADE7913器件。 NEUTRAL PHASE A PHASE A ADE7912/ ADE7913 VAN V1P 微控制器利用SPI端口与ADE7912/ADE7913器件通信。三 个I/O引脚(CS_A、CS_B和CS_C)用于产生SPI CS信号。微 控制器的SCLK、MOSI和MISO引脚直接连到各ADE7912/ ADE7913器件的对应SCLK、MOSI和MISO引脚(参见图 39)。为了简化图35至图38，这些连接未显示。 VM GNDISO IM 11115-011 IP IA A相 电 流 和 电 压 。 检 测 B相 和 C相 电 流 电 压 的 ADE7912/ ADE7913器件由检测A相电流电压的ADE7912/ADE7913的 CLKOUT/DREADY引脚产生的信号提供时钟。也可以采用 另一种配置，即让微控制器产生一个4.096 MHz时钟，并提 供给所有ADE7912/ADE7913器件的XTAL1引脚(参见图 36)。注意，XTAL1引脚支持3.6 MHz至4.21 MHz的时钟频 率，如表1所示。 IM CS SCLK IP MOSI 4.096MHz CRYSTAL MISO CLKOUT/ DREADY GNDISO_A GNDMCU PHASE B ADE7912/ADE7913 V1P VM IM CS SCLK IP MOSI GNDISO_B VM XTAL2 XTAL1 V2P V1P MISO CLKOUT/ DREADY GNDMCU MICROCONTROLLER CS_A CS_B CS_C SCLK MOSI MISO I/O PHASE C ADE7912/ADE7913 V1P GNDISO VM 11115-012 IP 图34. 利用ADE7912/ADE7913监控零线和零线至地电压 LOAD 图34显示，当监控三相系统的零线时，如何连接ADE7912/ ADE7913输入端。零线电流利用分流电阻检测，分流电阻 上的电压在全差分输入端IP和IM上测量。地至零线电压利 用单端输入V1P和VM处的分压器检测。 图35显示一个采用三个ADE7912/ADE7913器件和一个微控 制器的三相电表的功能框图。本例中不监控零线电流。一 个4.096 MHz晶振为ADE7912/ADE7913提供时钟，以便检测 Rev. 0 | Page 23 of 44 XTAL2 XTAL1 IM CS SCLK IP MOSI V2P GNDISO_C MISO CLKOUT/ DREADY GNDMCU ISOLATION BARRIER 图35. 使用三个ADE7912/ADE7913器件的三相电表 11115-013 IM EARTH XTAL2 XTAL1 V2P ADE7912/ ADE7913 IN PHASE B VM NEUTRAL LINE VN PHASE A ADE7912/ADE7913 V1P V2P电压通道主要用于测量辅助电压，仅ADE7913提供该 通道。如果不使用V2P(ADE7912就是这样)，应将V2P连接 到VM。 NEUTRAL PHASE C PHASE A 图33显示了一个三相电表的A相。A相电流IA利用一个分流 电阻进行检测。分流电阻的一端连接到ADE7912/ADE7913 的IM引脚，成为ADE7912/ADE7913隔离端的地GNDISO(引 脚10)。A相至零线电压VAN利用一个电阻分压器来检测， VM引 脚 也 连 接 到 IM和 GND ISO 引 脚 。 注 意 ， ADE7912/ ADE7913 ADC所检测的电压与VAN和IA相反，这是单相计 量的经典方法。其他ADE7912/ADE7913器件监控B相和C 相，连接方式相似。 NEUTRAL 图33. A相ADE7912/ADE7913电流和电压检测 VM PHASE B PHASE C PHASE A PHASE A ADE7912/ADE7913 V1P XTAL2 VM XTAL1 XTAL2 XTAL1 IM CS SCLK IM CS SCLK IP MOSI IP MOSI V2P GNDISO_A GNDMCU PHASE B ADE7912/ADE7913 V1P VM IM V2P MISO CLKOUT/ DREADY XTAL2 XTAL1 CS SCLK IP MOSI V2P MISO CLKOUT/ DREADY GNDISO_B GNDISO_A MICROCONTROLLER MISO CLKOUT/ DREADY GNDMCU CS_B XTAL2 CS_B XTAL1 IM CS_C CS SCLK CS_N IP MOSI MOSI V1P VM CS_C SCLK MOSI MISO CLK I/O V2P GNDISO_B GNDMCU MISO CLKOUT/ DREADY V1P XTAL2 V1P XTAL1 VM IM CS SCLK IM CS SCLK IP MOSI IP MOSI MISO CLKOUT/ DREADY GNDISO_C GNDMCU ISOLATION BARRIER V2P GNDISO_C V1P VM 上电时或在硬件/软件复位之后，请遵从“使用单个晶振的 多器件系统的上电程序”或“使用微控制器所产生时钟的多 器件系统的上电程序”部分所述的程序，确保ADE7912/ ADE7913器件正常工作。 SCLK MISO I/O XTAL2 XTAL1 MISO CLKOUT/ DREADY GNDMCU PHASE N ADE7912/ADE7913 图36. 微控制器为三个ADE7912/ADE7913器件产生时钟 图36中，用于检测C相电流和电压的ADE7912/ADE7913的 CLKOUT/DREADY引脚连接到微控制器的I/O引脚。当 ADC转 换 数 据 可 用 时 ， CLKOUT/DREADY提 供 一 个 64 CLKIN周期(CLKIN = 4.096 MHz时为15.625 µs)的低电平有 效脉冲。它指示所有ADE7912/ADE7913器件的ADC输出可 用，并且微控制器开始读取结果。有关同步多个ADE7912/ ADE7913器件的更多信息，参见“同步多个ADE7913器件” 部分。 CS_A GNDMCU PHASE C ADE7912/ADE7913 V2P MICROCONTROLLER CS_A PHASE B ADE7912/ADE7913 PHASE C ADE7912/ADE7913 VM 4.096MHz CRYSTAL XTAL1 IM CS SCLK IP MOSI V2P LOAD GNDISO_N EARTH XTAL2 MISO CLKOUT/ DREADY GNDMCU ISOLATION BARRIER 11115-015 V1P LOAD NEUTRAL PHASE A ADE7912/ADE7913 11115-014 PHASE C PHASE A PHASE B NEUTRAL ADE7912/ADE7913 图37. 使用四个ADE7912/ADE7913器件的三相电表 图38显示采用两个ADE7912/ADE7913器件的三角形配置电 表。电表地位于B相线上。一个ADE7912/ADE7913器件测 量A相电流和A相至B相电压。另一个ADE7912/ADE7913器 件测量C相电流和C相至B相电压。B相电流和A相至C相电 压由系统微控制器计算。 使用四个ADE7912/ADE7913器件的电表配置与上例相似， 如图37所示。微控制器利用额外的I/O引脚(CS_N)产生SPI CS信号，以便管理监控零线电流的ADE7912/ADE7913器件。 Rev. 0 | Page 24 of 44 ADE7912/ADE7913时钟 PHASE A ADE7912/ADE7913 V1P XTAL2 4.096MHz CRYSTAL XTAL1 VM 在 XTAL1引 脚 提 供 一 个 数 字 时 钟 信 号 以 便 为 ADE7912/ ADE7913提供时钟。XTAL1引脚提供的ADE7912/ADE7913 时钟频率称为CLKIN。ADE7912/ADE7913要求CLKIN = 4.096 MHz，但3.6 MHz至4.21 MHz的频率也是可接受的。 CS SCLK IM MOSI IP V2P GNDISO_A MISO CLKOUT/ DREADY GNDMCU MICROCONTROLLER PHASE C ADE7912/ADE7913 V1P XTAL2 VM XTAL1 IM CS SCLK IP MOSI V2P GNDISO_C CS_A CS_C SCLK MOSI MISO I/O 其中： C1和C2分别是XTAL1和GND引脚之间以及XTAL2和GND 引脚之间的陶瓷电容。 CP1和CP2是将晶振连接到ADE7912/ADE7913的导线的寄 生电容。 MISO CLKOUT/ DREADY GNDMCU ISOLATION BARRIER 图38. 使用两个ADE7912/ADE7913器件的三角形配置三相电表 XTAL1和XTAL2引脚的总电容(TC)为： TC = C1 + CP1 = C2 + CP2 11115-016 LOAD 或者，可以在XTAL1和XTAL2引脚上连接一个典型驱动功 率为0.5 mW、等效串联电阻(ESR)为20 Ω的4.096 MHz晶振， 用来为ADE7912/ADE7913提供时钟源(参见图40)。 晶振的负载电容(LC)等于总电容TC的一半，因为它是由C1 + CP1和C2 + CP2组成的串联电路的电容。 LC = CS ADE7912/ ADE7913 因此，电容C1和C2的值与晶振的负载电容相关： SCLK MOSI C1 = C2 = 2 × LC − CP1 = 2 × LC − CP2 PHASE A MISO VDD 对于ADE7912/ADE7913，XTAL1和XTAL2引脚的总电容TC典 型值为40 pF(参见表1)。选择一个具有如下负载电容的晶振： 10kΩ CS_A CS CS_B SCLK SCLK MOSI MOSI PHASE B MISO MISO CS_C ADE7912/ ADE7913 LC = TC = 20 pF 2 假设寄生电容CP1和CP2等于20 pF，则应选择20 pF的电容 C1和C2。 CP1 MICROCONTROLLER ADE7912/ ADE7913 XTAL1 CS ADE7912/ ADE7913 C1 + CP1 C2 + CP2 TC = = 2 2 2 TC SCLK MOSI XTAL2 C2 TC 11115-017 PHASE C MISO C1 CP2 图39. 三个ADE7912/ADE7913器件与微控制器之间的SPI连接 图40. 晶振电路 Rev. 0 | Page 25 of 44 11115-018 PHASE C PHASE B PHASE A ADE7912/ADE7913 ADE7912/ADE7913 SPI接口 态。上电时或在硬件/软件复位后，微控制器读取STATUS0 寄存器以检测位0 (RESET_ON)是否清0。有关三个ADE7912/ ADE7913器件的SPI端口与包含SPI接口的微控制器之间连 接的详细信息，请参见图39。 ADE7912/ADE7913是SPI通信从机，包含以下四个引脚： SCLK、MOSI、MISO和CS。数据传输的串行时钟施加于 SCLK逻辑输入端。所有数据传输操作均与串行时钟同步。 数据在SCLK的下降沿从MOSI逻辑输入端移入ADE7912/ ADE7913，而ADE7912/ADE7913在SCLK的上升沿对数据 进行采样。数据在SCLK的下降沿从MISO逻辑输出端移出 ADE7912/ADE7913，而主机在SCLK的上升沿对数据进行 采样。数据字的最高有效位优先移入和移出。此接口支持 的最大和最小串行时钟频率分别为5.6 MHz和250 kHz。当 ADE7912/ADE7913没有数据传出时，MISO保持高阻抗状 CS逻辑输入为片选输入。在数据传输操作中，CS输入必须 全程保持低电平。在数据传输期间拉高CS不会影响作为数 据传输对象的ADE7912/ADE7913寄存器，但会中止传输并 将串行总线置于高阻抗状态。然后，通过使CS逻辑输入回 到低电平，即可开始新的传输。 CS SCLK ADDR[4:0] 1 0 0 7 6 MISO 1 0 11115-019 MOSI REGISTER VALUE 图41. 8位寄存器的SPI读操作 CS SCLK 0 0 0 0 0 1 0 0 23 0 IWV MISO 15 0 CNT_SNAPSHOT 11115-020 MOSI 图42. 突发模式下的SPI读操作 CS SCLK MOSI ADDR[4:0] 0 0 0 6 1 REGISTER VALUE 图43. SPI写操作 Rev. 0 | Page 26 of 44 0 11115-021 7 ADE7912/ADE7913 SPI读操作 当主机将CS引脚设为低电平并开始在MOSI线路上发送一 个命令字节时，ADE7912/ADE7913的SPI接口读操作即会 开始。主机以SCLK的第一个高电平至低电平转换开始，将 数据置于MOSI线路上。 命令字节的位组成如表11所示。位[1:0]是无关位，可以是 任意值，本部分给出的例子将其设为00。位2 (READ_EN)决 定操作类型。对于读操作，READ_EN必须置1。对于写操 作，READ_EN必须清0。位[7:3] (ADDR)代表要读取或写入 的寄存器地址。 ADE7912/ADE7913的SPI接口在SCLK的低电平至高电平转 换期间对数据进行采样。在SCLK的低电平至高电平转换期 间收到命令字节的最后一位之后，ADE7912/ADE7913即会 在SCLK的下一个高电平至低电平转换出现时开始在MISO 线路上发送其内容；因此，主机可以在SCLK的低电平至高 电平转换期间对数据进行采样。收到最后一位之后，主机 会将CS和SCLK线路设为高电平，通信到此结束。数据线 路MOSI和MISO进入高阻抗状态。图41显示了8位寄存器读 操作，16位和32位寄存器的读操作与此相同。 表11. SPI读/写操作的命令字节 位位置 1:0 2 位名称 保留 READ_EN 7:3 ADDR 说明 这些位可以是任意值。 执行读操作时，该位置1。 执行写操作时，该位清0。 要读取或写入的寄存器地址。 突发模式下的SPI读操作 ADE7912/ADE7913的 所 有 输 出 寄 存 器 (IWV、 V1WV、 V2WV、ADC_CRC、STATUS0和CNT_SNAPSHOT)都有两 种读取方式：每次读取一个寄存器(参见“SPI读操作”部 分)，或者以突发模式同时读取多个连续寄存器。当主机将 CS引脚设为低电平并开始在MOSI线路上发送一个位[7:3] (ADDR)设为IWV寄存器地址00000的命令字节(参见表11) 时，突发模式启动。这意味着命令字节设为0x04。主机以 SCLK的第一个高电平至低电平转换开始，将数据置于 MOSI线路上。ADE7912/ADE7913的SPI接口在SCLK的低电 平至高电平转换期间对数据进行采样。在SCLK的低电平至 高电平转换期间收到命令字节的最后一位之后， ADE7912/ADE7913即会在SCLK的下一个高电平至低电平 转换出现时开始在MISO线路上发送24位IWV寄存器内 容；因此，主机可以在SCLK的低电平至高电平转换期间对 数 据 进 行 采 样 。 主 机 接 收 IWV寄 存 器 的 最 后 一 位 后 ， ADE7912/ADE7913器件发送位于下一位置的V1WV，以此 类推，直至主机将CS和SCLK线路设为高电平，通信结 束。数据线路MOSI和MISO进入高阻抗状态。有关突发模 式下SPI读操作的更多信息，请参见图42。 如果一个寄存器不需要读取，例如16位CNT_SNAPSHOT 寄存器，则主机可在收到STATUS0寄存器后将CS和SCLK 线路设为高电平。 如果不需要IWV寄存器，但需要V1WV寄存器，可将命令 字节中的ADDR位设为V1WV地址00001，然后执行突发模 式操作。 SPI写操作 当主机将CS引脚设为低电平并开始发送一个命令字节(参 见表11)时，SPI读操作即会开始。位2 (READ_EN)必须清0。 主机以SCLK的第一个高电平至低电平转换开始，将数据置 于MOSI线路上。ADE7912/ADE7913的SPI接口在SCLK的低 电平至高电平转换期间对数据进行采样。接着，主机发送 寄存器的8位值，不损失任何SCLK周期。发送完最后一位 之后，主机会在该SCLK周期结束时将CS和SCLK线路设为 高电平，通信到此结束。数据线路MOSI和MISO进入高阻 抗状态。有关SPI写操作的更多信息，请参见图43。 注意，SPI写操作只能执行8位写入。16位同步计数器寄存 器(由COUNTER0和COUNTER1组成)通过执行两次写操作 来写入：先写入低有效字节，再写入高有效字节。有关同 步计数器寄存器控制的功能的详细信息，参见“同步多个 ADE7912/ADE7913器件”部分。 ADE7912/ADE7913不需要以任何方式应答写入命令，因此 当需要用相同值初始化相同寄存器时，可以将该操作广播 至多个ADE7912/ADE7913器件。 执行写操作后，建议回读寄存器以确保初始化正确。 同步多个ADE7912/ADE7913器件 ADE7912/ADE7913允许用户同时对所有电流和电压进行采 样，并提供相干的ADC输出样本，这在三相计量系统中是 一个非常有用的特性。EMI_CTRL寄存器管理的EMI降低 方 案 (详 情 参 见 “DC-DC转 换 器 ”部 分 )要 求 ADE7912/ ADE7913提供相干的样本。 Rev. 0 | Page 27 of 44 ADE7912/ADE7913 ADE7912/ADE7913用于三相电表”部分描述了包含多个 ADE7912/ADE7913器件的三相电表如何利用一个晶振来为 所有ADE7912/ADE7913器件提供时钟。上电时，只有一个 ADE7912/ADE7913器件从晶振获得时钟，其他器件设置为 接收第一个ADE7912/ADE7913器件的CLKOUT/DREADY引 脚提供的时钟。该引脚默认使能DREADY功能。在图35、 图37和图38中，A相上的ADE7912/ADE7913器件从晶振获 得时钟，CLKOUT/DREADY引脚产生DREADY信号。其他 ADE7912/ADE7913器件由DREADY信号提供时钟，因为其 XTAL1引脚尚未接收到CLKOUT信号。当CONFIG寄存器 中的位0 (CLKOUT_EN)置1时，微控制器使能CLKOUT功能。 该操作确保系统中的其他ADE7912/ADE7913器件接收到与 A相上的ADE7912/ADE7913相同的时钟，并且系统中所有 ADE7912/ADE7913器件的全部ADC在同一时刻对数据进行 采样。 作为晶振的替代方案，微控制器可以产生一个时钟信号并 提供给所有ADE7912/ADE7913器件的XTAL1引脚，确保 ADC采样精确同步。(参见图36) 为使电表中的所有ADE7912/ADE7913器件提供相干的ADC 输出样本，也就是在同一输出周期中获得的样本，所有 ADE7912/ADE7913器件必须具有相同的ADC输出频率，并 且输出必须同步。CONFIG寄存器的位[5:4] (ADC_FREQ)选 择ADC输出频率，因此，它们必须初始化为相同的值(更 多信息参见“ADC输出值”部分)。 为使ADC输出同步，也就是设置所有ADE7912/ADE7913器 件在同一时刻产生ADC输出，上电后，微控制器必须广播 一个写操作，向8位SYNC_SNAP寄存器写入值0x01。这 样，当写入SYNC_SNAP寄存器的位0 (sync)时，所有ADE7912/ ADE7913器件都会同时开始新的ADC输出周期。经过一个 CLKIN周期后，sync位自动清0。 如图35、图37和图38所示，一个ADE7912/ADE7913器件的 CLKOUT/DREADY引脚连接到微控制器的I/O输入。该 ADE7912/ADE7913器 件 的 CONFIG寄 存 器 的 位 0 (CLKOUT_EN)设为默认值0，从而使能DREADY功能。当 ADC输出周期开始时，CLKOUT/DREADY引脚变为低电平 并持续64个CLKIN周期(CLKIN = 4.096 MHz时为15.625 µs)， 表示所有ADE7912/ADE7913器件的所有ADC输出均可用， 微控制器必须开始读取它们。建议使用突发模式的SPI读操 作，确保在最短时间内读取所有数据。 ADE7912/ADE7913内置一个12位计数器，它以CLKIN频率 工作。该计数器与ADC输出周期和CLKOUT/DREADY引脚 同步。当新的输出周期开始时，该计数器便从CONFIG寄 存器的位[5:4] (ADC_FREQ)所确定的值递减。表12给出了这 些值。 表12. 计数器初始值与ADC_FREQ位的关系 CONFIG 寄存器中的 位[5:4] (ADC_FREQ) 00 ADC输出 频率(kHz) 8 计数器C0 初始值 (CLKIN = 4.096 MHz) 511 01 4 1023 10 2 2047 11 1 4095 Rev. 0 | Page 28 of 44 计数器C0 初始值与 CLKIN的关系 ADE7912/ADE7913 ADC CYCLE 0 ADC CYCLE 1 ADC CYCLE 2 ADC CYCLE 3 ADC CYCLE 4 DREADY C0 ADE7912 C ADE7913 C CC C0 ADE7912 B ADE7913 B CB C0 CA ADE7912 A/ADE7913 A COUNTER STARTS FROM A NEW VALUE SYNC_SNAP = 0x02 CA, CB, CC ARE READ * = C + C – C IS WRITTEN (C < C ) NEW CA 0 C A C A * = C – C IS WRITTEN (C > C ) NEW CB C B C B ALL ADE7912/ADE7913s ARE IN SYNC ADE7912 B/ADE7913 B COUNTER STARTS FROM A NEW VALUE 11115-022 ADE7912 A ADE7913 A 12 11 0000 8 7 COUNTER VALUE 0 图45. CNT_SNAPSHOT寄存器 向8位SYNC_SNAP寄存器写入0x02，即位1 (snap)置1时，它 就会锁存计数器的值。向所有ADE7912/ADE7913器件广播 写操作，可确保每一ADE7912/ADE7913器件的所有计数器 同时被锁存。经过一个CLKIN周期后，snap位自动清0。计 数器的值可用来衡量所有ADE7912/ADE7913器件的ADC输 出同步情况。理想情况下，这些值应完全相同，表示所有 ADE7912/ADE7913器件完全同步。实际上，由于微控制器 和ADE7912/ADE7913 CLKIN所产生的SPI时钟的不确定性， 计数器之间存在±1的差异是可以接受的。12位计数器通过 16位CNT_SNAPSHOT寄存器访问(参见图45)。 如果一个ADE7912/ADE7913器件的内部计数器值与其他 ADE7912/ADE7913器件的计数器值不相关，则说明一个相 位 的 A D C 输 出 不 再 与 其 他 相 位 的 AD C 输 出 同 步 。 A DE 7 9 1 2 / A DE 7 9 1 3 提 供 两 种 选 项 来 重 新 同 步 所 有 ADE7912/ADE7913器 件 。 一 是 将 值 0x01广 播 写 入 8位 SYNC_SNAP寄存器。此操作会立即迫使所有ADE7912/ ADE7913器件同时开始新的ADC输出周期。然而，所有相 位 都 会 存 在 不 同 程 度 的 ADC输 出 失 真 ， 失 真 与 SYNC_ SNAP = 0x01这一写操作在当前输出周期中执行的时间有 关。因此，建议在上电时或硬件/软件复位后执行此命令。 另一选项是为失去同步的ADE7912/ADE7913器件的内部计 数器计算新的起始值。此值迫使该内部计数器开始新的 ADC输出周期，从该值递减，与其他ADE7912/ADE7913器 件的其他计数器同步结束。该12位值存储在两个8位寄存 器中：COUNTER1和COUNTER0(参见图46)。COUNTER0 包含8个最低有效位，必须首先写入。COUNTER1包含4个 最 高 有 效 位 ， 必 须 在 COUNTER0之 后 写 入 。 与 写 入 SYNC_SNAP = 0x01相比，该选项的优势是仅失去同步的相 位的ADC输出受影响。其他已经同步的相位则不受影响。 一般情况下，建议每隔几秒即验证ADE7912/ADE7913器件 是否同步。 COUNTER[11:0] 11 4 3 7 0000 8 7 0 4-BIT UNSIGNED NUMBER COUNTER1[7:0] 0 7 0 8-BIT UNSIGNED NUMBER COUNTER0[7:0] 11115-024 15 11115-023 图44. A相和B相的ADE7912/ADE7913器件与C相的ADE7912/ADE7913器件同步 图46. 使用两个8位寄存器表示的计数器起始值 考虑图44所示的例子：对于图35所示的电表配置，显示了 三个ADE7912/ADE7913器件的A相、B相和C相计数器。所 有 三 个 相 位 都 不 同 步 。 需 要 将 A相 和 B相 ADE7912/ ADE7913器件与C相ADE7912/ADE7913器件同步，后者被 认为是基准，因为它产生DREADY信号。 Rev. 0 | Page 29 of 44 ADE7912/ADE7913 当产生DREADY低电平有效脉冲时，读取输出寄存器(IWV、 V1WV、V2WV、ADC_CRC、STATUS0和CNT_SNAPSHOT)， 然后立即执行以下步骤： 1. ADC周期0。将锁定寄存器设置为0x9C，禁用配置寄存 器的保护(参见“保护配置寄存器的完整性”部分)。 利用写入广播命令将8位寄存器SYNC_SNAP设置为0x02。 三个计数器的CA、CB和CC值被锁存，并存储在各器件 的CNT_SNAPSHOT寄存器中。 2. ADC周期1。周期0锁存的ADE7912/ADE7913计数器(CA、 CB和CC)以突发模式从CNT_SNAPSHOT寄存器读取， 同 时 读 取 IWV、 V1WV、 V2WV、 ADC_CRC和 STATUS0寄存器。 3. ADC周期2。由于CA > CC，因此可写出下式： 其中，C*A是必须确定的新值。 将新的初始计数器值C*A = CC + C0 − CA写入A相ADE7912/ ADE7913(图44中标记为ADE7912A/ADE7913A)，也就是 对COUNTER0和COUNTER1两个寄存器连续执行8位写 操作。从ADC周期4开始，A相ADE7912/ADE7913器件 与C相ADE7912/ADE7913同步。 由于CB < CC，因此可写出下式： 其中，C*B是必须确定的新值。 将新的初始计数器值C * B = C C − C B 写入B相ADE7912/ ADE7913，也就是对COUNTER0和COUNTER1两个寄 存 器 连 续 执 行 8位 写 操 作 。 从 ADC周 期 4开 始 ， B相 ADE7912/ADE7913器件与C相ADE7912/ADE7913同步。 如上所述，如果基准相位X的计数器锁存值为CX，且计 数器的初始值为C0(参见表1)，则令Y相与X相同步所需 的Y相计数器新值为： 4. ADC周 期 3。 基 于 ADC周 期 2写 入 的 COUNTER1和 COUNTER0值，A相和B相ADE7912/ADE7913计数器开 始递减。 5. ADC周期4。所有ADE7912/ADE7913器件同时产生ADC 输出。为了验证是否如此，应再次读取计数器，因此 SYNC_SNAP = 0x02命令需要再执行一次，这是良好的 编程惯例。 6. ADC周期5。执行SYNC_SNAP = 0x02命令后锁存的ADE7912/ ADE7913计数器(CA、CB和CC)存储在CNT_SNAPSHOT 寄存器中，以突发模式读取。它们应显示相同的值±1 LSB (表示±1 CLKIN周期，CLKIN = 4.096 MHz时为±244 ns)。 7. 将锁定寄存器设置为0xCA，重新使能配置寄存器的保 护(参见“保护配置寄存器的完整性”部分)。 ±1 LSB的误差之所以可能出现，是因为CLKIN(ADE7912/ ADE7913的内部时钟)与微控制器产生的串行端口时钟不同 步 ， 并 且 被 用 来 在 AD C周 期 2中 写 入 COUNTER1和 COUNTER0值。 EMI_CTRL寄存器管理的EMI降低方案(详情参见“DC-DC 转换器”部分)要求计量系统的ADE7912/ADE7913提供相干 的样本。该EMI降低方案确保两个ADE7912/ADE7913器件 不会同时产生管理DC-DC转换器所需的PWM信号。计数 器同步中的±1 LSB误差意味着至少有两个ADE7912/ADE7913器 件同时在一个CLKIN周期中产生PWM信号，EMI降低方案 可能会受影响。虽然并不保证有效，但本部分所述的两种 同步程序均可以重复执行，直到CC = CA = CB。 Rev. 0 | Page 30 of 44 ADE7912/ADE7913 电源管理 DC-DC转换器 ADE7912/ADE7913的DC-DC转换器部分工作原理对大多数 现代电源来说都是通用的。VDD为振荡电路提供电源，该 电路驱动芯片级空芯变压器的原边。电源被传输到副边， 在这里经整流后成为3.3 V直流电压。此电压随后通过2.5 V LDO稳压器提供给ADC部分。 ADE7912/ADE7913内部DC-DC转换器的状态由VDD输入 控制。正常工作模式下，VDD应保持2.97 V至3.63 V的电压。 该 隔 离 式 D C -D C 转 换 器 的 功 能 框 图 如 图 47所 示 。 ADE7912/ADE7913主电源电压VDD输入提供一个交流源。 该交流信号通过一个芯片级空芯变压器传输到副边。然 后，一个整流器产生隔离电源VDDISO。采用另一个芯片级 空芯变压器，一个反馈电路测量VDDISO并将该信息送回 VDD域，以便PWM控制模块控制交流源，将VDDISO保持 在3.3 V。 AC SOURCE FEEDBACK CIRCUIT PWM CONTROL VDD = 3.3V 图47. 隔离式DC/DC转换器框图 PWM控制模块以CLKIN/4 (1.024 MHz)的时钟频率工作，每 半个周期产生一个PWM脉冲并提供给交流源(参见图48)。 PWM CONTROL PULSE ADE7912/ADE7913 PHASE A, PHASE C PWM PULSE 1.024MHz CLOCK 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 A, C B, N A, C B, N A, C B, N A, C B, N A, C B, N 0 1 2 3 4 5 6 7 0 图48. PWM控制模块根据1.024 MHz时钟产生脉冲 1 11115-026 1.024MHz CLOCK ADE7912/ADE7913 PHASE B, PHASE N PWM PULSE 11115-027 RECTIFIER 11115-025 VDDISO 管理PWM控制模块的时钟分为八个时隙：0至7(参见图 48)。EMI_CTRL寄存器的每位控制一个时隙：位0控制时 隙0，位1控制时隙1……位7控制时隙7。当该位为1(默认 值)时，PWM控制模块产生一个脉冲。当该位为0时， PWM控 制 模 块 不 产 生 脉 冲 。 对 于 系 统 中 使 用 的 每 个 ADE7912/ADE7913器件，建议仅将其中四位设置为1，其 他位保持0，从而进一步降低ADE7912/ADE7913 DC-DC转 换器产生的辐射。 如果三相电表包含四个ADE7912/ADE7913器件，则这些 ADE7912/ADE7913器 件 首 先 必 须 同 步 (参 见 “同 步 多 个 A DE 7 9 1 2 / A DE 7 9 1 3 器 件 ” 部 分 ) ， 然 后 初 始 化 每 个 ADE7912/ADE7913 的EMI_CTRL寄存器。同一时刻仅有两 个ADE7912/ADE7913器件的DC-DC转换器产生EMI，电表 的 总 EMI水 平 得 以 降 低 。 A相 ADE7912/ADE7913的 EMI_CTRL寄 存 器 (EMI_CTRLA)初 始 化 为 0x55， EMI_CTRLB初始化为0xAA，EMI_CTRLC初始化为0x55， EMI_CTRLN初始化为0xAA(参见图49)。 ISOLATION BARRIER TO ADC BLOCK 每次产生PWM脉冲时，交流源就会将甚高频信号传输到 隔离栅另一端，使功率通过小型芯片级变压器高效率传输。 由此产生的高频电流会在电路板的地层和电源层传播，引 起边沿和偶极子辐射。“布局布线指南”部分说明了管理电 磁干扰(EMI)问题的PCB布局布线最佳做法。除了布局布线 方 法 以 外 ， 8位 EMI_CTRL寄 存 器 也 有 助 于 降 低 ADE7912/ADE7913 DC-DC转换器产生的辐射。 图49. 使用四个ADE7912/ADE7913器件的三相电表的EMI管理 如果系统包含一个、两个或三个ADE7912/ADE7913器件， 应根据图49所示的方法将EMI_CTRL寄存器中的四位设置 为1，其余时隙不使用。 Rev. 0 | Page 31 of 44 ADE7912/ADE7913 ADE7912/ADE7913采用空芯变压器，因此不受直流磁场的 影响。ADE7912/ADE7913磁场抗扰度的限制是由变压器接 收线圈中的感应电压的状态决定的，电压足够大就会错误 地置位或复位解码器。下面的分析说明此情况发生的条件。 ADE7912/ADE7913的标称电源电压是3.3 V，因此考察3.3 V 工作状况。 例如，在10 kHz的磁场频率下，最大允许2.8 T的磁场可以在 接收线圈感应出0.25 V的电压。此电压大约是检测阈值的 50%，不会引起输出转换错误。同样，如果这样的情况在 发送脉冲时发生(最差的极性)，这会使接收到的脉冲从大 于1.0 V下降到0.75 V，这仍然高于解码器检测阈值0.5 V。 先前的磁场值对应于与ADE7912/ADE7913变压器相隔给定 距离的额定电流幅度。 变压器输出端的脉冲幅度大于1.0 V。解码器的检测阈值大 约是0.5 V，因此有一个0.5 V的噪声容限。接收线圈上的感 应电压由以下公式计算： (12) 其中 B为交流磁场： Β(t) = B × sin(ωt). N是接收线圈匝数。 rn是接收线圈第n圈的半径。 给定ADE7912/ADE7913接收线圈的几何形状及外加感应电 压(VTHR)，解码器最多能够有0.5 V余量的50%，允许的最大 外部磁场(B)参见公式13和图50所示计算。 (14) 其中，µ0 = 4π × 10−7 H/m，即空气的导磁率。 图51表明这些允许的电流幅度是频率与所选距离的函数。 见图51所示，ADE7912/ADE7913只有在离器件很近的高频 大电流下才被影响。以上述10 kHz为例，必须将69 kA电流 放置在距离ADE7912/ADE7913 5 mm时才会影响器件的工作。 请注意，在强磁场和高频率的叠加作用下，PCB走线形成 的任何回路都可能感应出误差电压，进而触发后续电路的 阈值。在布局的时候需要格外小心，以避免发生这种情况 (参见“布局布线指南”部分)。 1000 MAXIMUM ALLOWABLE CURRENT (kA) (13) 其中： f为磁场的频率。 B为交流磁场的幅度。 10 0.005m 0.1m 1m 10 1 0.1 0.01 1k 1 10k 100k 1M 10M 100M FREQUENCY (Hz) 图51. 不同电流至ADE7912/ADE7913距离下的最大允许电流 0.1 0.01 0.001 1k 10k 100k 1M FREQUENCY (Hz) 10M 100M 11115-028 MAGNETIC FIELD MAXIMUM AMPLITUDE (T) 100 100 图50. 最大允许外部磁场 Rev. 0 | Page 32 of 44 11115-029 磁场抗扰度 ADE7912/ADE7913 上电和初始化程序 对于管理由一个或多个ADE7912/ADE7913器件构成的系统 的微控制器，上电时或硬件/软件复位后，必须执行以下 步骤： 5. 6. 由单个ADE7912/ADE7913器件构成的系统的上电程序 对于由微控制器管理的一个独立ADE7912/ADE7913器件， 上电程序如下(参见图52)： 1. 将一个晶振连接在XTAL1和XTAL2引脚之间。 2. 向ADE7912/ADE7913器件提供VDD。为确保ADE7912/ ADE7913器件开始正常工作，电源必须在不到23 ms的时 间内从大约2.6 V电平达到3.3 V − 10%。ADE7912/ADE7913器 件开始工作。 3. DC-DC转换器上电并为ADE7912/ADE7913的隔离端供 电。Σ-Δ型调制器开始工作。VDDISO、LDO和REF引脚 上使用表9所示的推荐电容时，执行上述过程大约需要 100 ms。经过该时间后，ADE7912/ADE7913的隔离端便 能发挥全部功能。 4. 为确定ADE7912/ADE7913器件何时可以接受命令，读取 STATUS0寄存器，直到位0 (RESET_ON)清0为止。这大约 7. 8. 发生在ADE7912/ADE7913开始工作20 ms后，表示ADE7912/ ADE7913的非隔离端在默认设置下已能发挥全部功能。 初始化CONFIG寄存器和EMI_CTRL辐射控制寄存器。 将锁定寄存器设置为0xCA，以保护用户可访问寄存器 和内部配置寄存器。参见“保护配置寄存器的完整性” 部分。 当ADC转换数据可用时，ADE7912/ADE7913器件便开 始在CLKOUT/DREADY引脚产生一个64 CLKIN周期(CLKIN = 4.096 MHz时为15.625 µs)的低电平有效信号。CLKOUT/ DREADY引脚默认使能DREADY功能。 微控制器以SPI突发模式读取IWV、V1WV、V2WV、 ADC_CRC和STATUS0寄存器(更多信息参见“突发模式 下的SPI读操作”部分)。 注意，对于具有多个ADE7912/ADE7913器件且每个器件由 其自己的晶振提供时钟的系统，该上电程序同样适用。每 个ADE7912/ADE7913器件独立上电并启动。 3.3V – 10% ≈2.6V ADE7912/ADE7913 NONISOLATED SIDE READY ADE7912/ADE7913 ISOLATED SIDE READY 0V 20ms ADE7912/ADE7913 POWERED UP POR TIMER TURNED ON 100ms ADE7912/ADE7913 START FUNCTIONING BIT STATUS0[0] (RESET_ON) CLEARED TO 0 DC-TO-DC CONVERTER POWERED UP AND Σ-Δ MODULATORS FUNCTIONAL 图52. 具有一个或多个ADE7912/ADE7913器件且每个器件由其自己的晶振提供时钟的系统的上电程序 Rev. 0 | Page 33 of 44 11115-030 23ms ADE7912/ADE7913 具有多个器件且使用单一晶振的系统的上电程序 对于图35、图37和图38所示使用单一晶振的三相电表，上 电程序如下(参见图53)： 1. 向 ADE7912/ ADE7913器 件 提 供 V D D 。 为 确 保 A相 ADE7912/ADE7913器 件 (图 53中 标 记 为 ADE7912 A / ADE7913A)开始正常工作，电源必须在不到23 ms的时间 内从大约2.6 V电平达到3.3 V − 10%。ADE7912A/ADE7913A 器件由4.096 MHz晶振提供时钟并开始工作。其他ADE7912/ ADE7913器件还没有时钟。 2. DC-DC转换器上电并为ADE7912A/ADE7913A的隔离端供 电。Σ-Δ型调制器开始工作。VDDISO、LDO和REF引脚 上使用表9所示的推荐电容时，执行上述过程大约需要 100 ms。经过该时间后，ADE7912A/ADE7913A的隔离端 便能发挥全部功能。 3. 为确定ADE7912A/ADE7913A器件何时可以接受命令，读 取STATUS0寄存器，直到位0 (RESET_ON)清0为止。这大 约发生在ADE7912A/ADE7913A开始工作20 ms后，表示 ADE7912A/ADE7913A的非隔离端在默认设置下已能发挥 全部功能。 4. 初 始 化 ADE7912 A /ADE7913 A 的 CONFIG寄 存 器 ， 位 0 (CLKOUT_EN)置 1。 在 CLKOUT/DREADY引 脚 提 供 CLKOUT信号，其他相位上的ADE7912/ADE7913器件现 在获得了时钟。 5. 初 始 化 A DE 7 9 1 2 A / A DE 7 9 1 3 A 的 辐 射 控 制 寄 存 器 EMI_CTRL。 6. 其他ADE7912/ADE7913器件的DC-DC转换器上电并为 其隔离端供电。Σ-Δ型调制器开始工作。VDDISO、LDO 和REF引脚上使用表9所示的推荐电容时，执行上述过 程大约需要100 ms。ADE7912/ADE7913器件的隔离端现 在能够发挥全部功能。 7. 读取其他ADE7912/ADE7913器件的STATUS0寄存器，直 到位0 (RESET_ON)清0，表示其非隔离端在默认设置下已 能发挥全部功能。这大约发生在提供时钟信号20 ms后。 8. 初始化其余ADE7912/ADE7913器件的CONFIG寄存器。 选择一个ADE7912/ADE7913器件(图35、图37和图38中 以 C相 ADE7912/ADE7913为 例 ； 图 53中 标 记 为 ADE7912C/ADE7913C)，将其CLKOUT/DREADY引脚连 接 到 微 控 制 器 的 外 部 中 断 I/O引 脚 。 ADE7912 C / ADE7913C的CONFIG寄存器的位0 (CLKOUT_EN)必须保 持 默 认 值 0， 以 便 使 用 CLKOUT/DREADY引 脚 的 DREADY功能。 9. 初始化其余ADE7912/ADE7913器件的辐射控制寄存器 EMI_CTRL。 10.执行SYNC_SNAP = 0x01写广播操作，同步电表的所有 ADE7912/ADE7913器 件 (参 见 “同 步 多 个 ADE7912/ ADE7913器件”部分)。 11.执行lock = 0xCA写广播操作，保护所有ADE7912/ADE7913 器件的配置寄存器。参见“保护配置寄存器的完整性” 部分。 12.每隔几秒便禁用配置寄存器的保护，执行SYNC_SNAP = 0x02写 广 播 操 作 以 读 取 每 个 ADE7912/ADE7913的 CNT_SNAPSHOT寄存器，检查是否需要重新同步。重 新同步不同步的ADE7912/ADE7913器件(参见“同步多个 ADE7912/ADE7913器件”部分)，然后重新使能配置寄存 器的保护。 Rev. 0 | Page 34 of 44 ADE7912/ADE7913 ADE7912 B/ADE7913 B, ADE7912 C/ADE7913 C, ADE7912 N/ADE7913 N, NONISOLATED SIDE READY ≈2.6V ADE7912 A/ADE7913 A ISOLATED SIDE READY ADE7912 A/ADE7913 A NONISOLATED SIDE READY 3.3V – 10% ADE7912 B/ADE7913 B, ADE7912 C/ADE7913 C, ADE7912 N/ADE7913 N, ISOLATED SIDE READY 0V 20ms ALL ADE7912/ADE7913s POWERED UP ADE7912 A/ ADE7913 A POR TIMER TURNED ON 100ms ADE7912 A/ ADE7913 A START FUNCTIONING 100ms ADE7912 A/ ADE7913 A BIT STATUS0[0] (RESET_ON) CLEARED TO 0 MICROPROCESSOR SETS ADE7912 A/ ADE7913 A BIT CONFIG[0] TO 1. ADE7912 A/ADE7913 A GENERATE CLKOUT ADE7912 A/ADE7913 A DC-TO-DC CONVERTER POWERED UP AND ITS Σ-Δ MODULATORS FUNCTIONAL ADE7912 B/ADE7913 B, ADE7912 C/ADE7913 C, ADE7912 N/ADE7913 N DC-TO-DC CONVERTERS POWERED UP AND Σ-Δ MODULATORS FUNCTIONAL ADE7912 B/ADE7913 B, ADE7912 C/ADE7913 C, ADE7912 N/ADE7913 N BIT STATUS0[0] (RESET_ON) CLEARED TO 0 11115-031 23ms 20ms 图53. 具有多个ADE7912/ADE7913器件且仅A相ADE7912/ADE7913从一个晶振获得时钟的系统的上电程序 3.3V – 10% ≈2.6V ALL ADE7912/ ADE7913s NONISOLATED SIDE READY ALL ADE7912/ ADE7913s ISOLATED SIDE READY 0V 20ms ALL ADE7912/ADE7913s POWERED UP ADE7912/ADE7913s POR TIMERS TURNED ON MICROPROCESSOR ADE7912/ADE7913s BIT GENERATES CLOCK STATUS0[0] (RESET_ON) TO ADE7912/ADE7913s CLEARED TO 0 ADE7912/ADE7913s DC-TO-DC CONVERTERS POWERED UP AND Σ-Δ MODULATORS FUNCTIONAL 图54. 具有多个ADE7912/ADE7913器件且由微控制器提供时钟的系统的上电程序 Rev. 0 | Page 35 of 44 11115-032 100ms ADE7912/ADE7913 具有多个器件且时钟由微控制器产生的系统的上电程序 对于由微控制器产生时钟信号供所有ADE7912/ADE7913器 件使用的三相电表(参见图36)，上电程序如下： 1. 向ADE7912/ADE7913器件提供VDD。为确保ADE7912/ ADE7913器件开始正常工作，电源必须在不到23 ms的时 间内从大约2.6 V电平达到3.3 V − 10%。 2. 由 微 控 制 器 产 生 时 钟 信 号 并 提 供 给 所 有 ADE7912/ ADE7913器件。 3. DC-DC转换器上电并为ADE7912/ADE7913器件的隔离 端供电。Σ-Δ型调制器开始工作。VDDISO、LDO和REF 引脚上使用表9所示的推荐电容时，执行上述过程大约 需要100 ms。经过该时间后，ADE7912/ADE7913器件的 隔离端便能发挥全部功能。 4. 读取ADE7912/ADE7913器件的STATUS0寄存器，直到位0 (RESET_ON)清0，表示ADE7912/ADE7913器件的非隔离 端在默认设置下已能发挥全部功能。这大约发生在提供 时钟信号20 ms后。 5. 初始化ADE7912/ADE7913器件的CONFIG寄存器，位0 (CLKOUT_EN)清0，避免在CLKOUT/DREADY引脚产生 不必要的时钟信号。选择一个ADE7912/ADE7913器件 (图36中以C相ADE7912/ADE7913为例)，将其CLKOUT/ DREADY引脚连接到微控制器的外部中断I/O引脚。 6. 初始化所有ADE7912/ADE7913器件的辐射控制寄存器 EMI_CTRL。 7. 执行SYNC_SNAP = 0x01写广播操作，同步电表的所有 ADE7912/ADE7913器件(详情参见“同步多个ADE7912/ ADE7913器件”部分)。 8. 执行lock = 0xCA写广播操作，保护所有ADE7912/ADE7913 器件的配置寄存器。参见“保护配置寄存器的完整性” 部分。 9. 每隔几秒便禁用寄存器保护，执行SYNC_SNAP = 0x02 写广播操作以读取每个ADE7912/ADE7913的COUNTER1 和COUNTER0寄存器，检查是否需要重新同步。重新 同步不同步的ADE7912/ADE7913器件(参见“同步多个 ADE7912/ADE7913器件”部分)，然后重新使能配置寄存 器的保护。 硬件复位期间，所有寄存器设置为默认值，DC-DC转换器 关断。三相电表中的所有ADE7912/ADE7913程序可以同时 执 行 该 程 序 。 复 位 周 期 结 束 时 ， ADE7912/ADE7913将 STATUS0寄存器的位0 (RESET_ON)清0。此时必须执行“上 电 和 初 始 化 程 序 ”部 分 所 述 的 一 种 程 序 ， 正 确 初 始 化 ADE7912/ADE7913器件。 软件复位 CONFIG寄存器的位6 (SWRST)可管理软件复位功能。该位 的默认值为0。如果将该位置1，ADE7912/ADE7913便会进 入软件复位状态。在此状态下，所有内部寄存器都复位至 默认值。DC-DC转换器继续工作。当软件复位结束时， CONFIG寄存器的位6 (SWRST)自动清0，并且STATUS0寄存 器的位0 (RESET_ON)清0。如果配置寄存器已被lock = 0xCA 寄存器写操作保护起来，首先应写入lock = 0x9C以解除锁定， 然后写入CONFIG寄存器，将位6 (SWRST)置1以启动软件复 位。此时必须执行“上电和初始化程序”部分所述的一种程 序，正确初始化ADE7912/ADE7913器件。 掉电模式 某些情况下，ADE7912/ADE7913的ADC不需要工作，用户 希望降低器件的功耗。当CONFIG寄存器的位2 (PWRDWN_ EN)置 1时 ， DC-DC转 换 器 和 Σ-Δ型 调 制 器 就 会 关 断 。 ADE7912/ADE7913的配置寄存器保持原有值，但IWV、 V1WV和V2WV ADC输出寄存器处于未定义状态。如果 PWRDWN_EN位清0(默认值)，则DC-DC转换器正常工作， Σ-Δ型调制器有效。 如果由微控制器产生所有ADE7912/ADE7913器件的时钟 (参见图36所示配置)，则可以关断时钟以进一步降低功 耗。ADE7912/ADE7913停止工作。当时钟重新启动时，执 行硬件复位以重新启动ADE7912/ADE7913，这是良好的编 程惯例。 在一个ADE7912/ADE7913器件的CLKOUT/DREADY引脚用 来为其他ADE7912/ADE7913器件提供时钟的系统中(参见 图35、图37和图38所示配置)，将CONFIG寄存器的位0 (CLKOUT_EN)清0可以降低ADE7912/ADE7913器件的功耗。 硬件复位 ADE7912/ADE7913没有专用复位引脚。当SCLK引脚接收 串行时钟时，可以执行SPI广播写操作，使CS和MOSI引脚 在64个SCLK周期中保持低电平，这相当于将8个字节的 0x00发送到ADE7912/ADE7913，从而完成硬件复位。 Rev. 0 | Page 36 of 44 ADE7912/ADE7913 布局布线指南 图20所示为ADE7912/ADE7913的测试电路。测试电路包含 三个ADE7912/ADE7913器件，与其它必要电路一起检测三 相系统的相电流和电压。ADE7912/ADE7913器件由一个微 控制器通过SPI接口管理。原理图中未显示微控制器。图20 复制了ADE7913评估板的原理图(参见“ADE7913评估板” 部分)。 使用一个10 µF电容和一个100 nF陶瓷电容将VDDISO(引脚1) 去耦到GNDISO(引脚2)。电容放置规则与VDD引脚相同。 使用一个4.7 µF电容和一个100 nF陶瓷电容将LDO(引脚8)和 REF(引脚9)去耦到GNDISO(引脚10)。电容放置规则与VDD 引脚相同。 注意，ADE7912/ADE7913隔离接地点是分流电阻端点之 一。此点直接连到GNDISO(引脚10)。无需将分流电阻接地 端连接到GNDISO(引脚2)。引脚2内部连接到引脚10。 图55和图56显示了一个印刷电路板(PCB)的建议布局方 案，它包括两层，元件仅贴放在电路板顶层。遵守这些布 局布线指南有助于实现低噪声设计，并提高对EMC干扰的 抑制能力。注意，该布局是从一个电路板截取的一部分， 电路板还包括除三个ADE7913器件之外的电路。 晶振负载电容必须尽可能靠近ADE7912/ADE7913放置，而 晶振本身可以放在附近。 采用ADE7912的电表布局与采用ADE7913的设计非常类 似。唯一的区别是没有V2P电压通道及其相关的电路：电 阻分压器和保护二极管。 注意，底层将原边地扩展到ADE7912/ADE7913和相关电路 下方。电路板输入引脚与原边接地层之间的底层上至少应 保持8 mm的距离。 11115-043 主电源电压在VDD(引脚19)处提供。VDD引脚和GND(引 脚20)之间放置一个10 µF去耦电容和一个100 nF陶瓷去耦电 容。10 µF电容必须靠近器件放置，但陶瓷电容必须更靠近 ADE7912/ADE7913放置，因为它要去耦高频噪声。 图55. 2层电路板：顶层 Rev. 0 | Page 37 of 44 ADE7912/ADE7913 11115-044 8mm 图56. 2层电路板：底层 11115-045 8mm 图57. 4层电路板：顶层 Rev. 0 | Page 38 of 44 11115-046 ADE7912/ADE7913 图58. 4层电路板：底层 ISOLATED SIDE GROUND PLANE ON TOP LAYER ADE7912/ADE7913 PRIMARY SIDE GROUND PLANE ON LAYER 2 C12 C23 4mils = 0.1016mm 28mils = 0.7112mm 1mm 8mm PRIMARY SIDE GROUND PLANE ON BOTTOM LAYER 11115-047 28mils = 0.7112mm ISOLATED SIDE GROUND PLANE ON LAYER 3 PRIMARY SIDE GROUND PLANE ON TOP LAYER 图59. 4层PCB产生的拼接电容 若使用4层PCB，则还会形成其它拼接电容。顶层上，所有 放在隔离副边上的元件都被一个连接到GNDISO(引脚10)的 接地层包围(参见图57)。第2层(参见图60)复制2层电路板的 底层，将原边地扩展到ADE7912/ADE7913和相关电路下方。 第3层(参见图61)复制顶层的接地层。底层在ADE7912/ ADE7913和相关电路的下方没有像2层电路板那样的原边 地，因为第3层形成的对应拼接电容对降低辐射没有任何 作用。 4层PCB所形成的拼接电容结构如图59所示。顶层的隔离接 地层产生10 pF电容(C12)，原边接地层放在第2层上。类似 地，第2层和第3层之间产生400 pF电容(C23)。 这些电容非常重要，作用是降低ADE7912/ADE7913 DC-DC 转换器产生的辐射。 ADE7913评估板 利用基于ADE7913构建的评估板，用户可以快速评估该IC。 它与系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)一起使用。欲评估 ADE7913，须同时订购ADE7913评估板和系统演示平台。 欲了解详情，请访问www.analog.com/ADE7913。 ADE7912/ADE7913版本 STATUS1寄存器的位[2:0] (version)用于识别ADE7912/ADE7913 的版本。 Rev. 0 | Page 39 of 44 11115-048 ADE7912/ADE7913 11115-049 图60. 4层电路板：第2层 图61. 4层电路板：第3层 Rev. 0 | Page 40 of 44 ADE7912/ADE7913 寄存器列表 在表13至表20中，R表示寄存器可读取，W表示寄存器可写入，U表示无符号寄存器，S表示二进制补码格式的带符号寄 存器。 表13. 寄存器列表 地址 0x0 0x1 0x2 0x3 0x4 寄存器名称 IWV V1WV V2WV 保留 ADC_CRC R/W R R R R R 位长 24 24 24 24 16 类型 S S S S U 默认值 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 N/A 0x5 0x6 0x7 CTRL_CRC 保留 CNT_SNAPSHOT R R R 16 16 16 U S U N/A 0x0000 0x00 0x8 0x9 0xA CONFIG STATUS0 Lock R/W R W 8 8 8 U U U 0 0x01 0x00 0xB 0xC 0xD SYNC_SNAP COUNTER0 COUNTER1 W R/W R/W 8 8 8 U U U 0x00 无 无 0xE EMI_CTRL R/W 8 U 0xFF 0xF 0x10, 0x11 0x12, 0x13 0x14 0x15, 0x16, 0x17 0x18 STATUS1 保留 保留 保留 保留 R R/W R 8 8 8 U U U 0x00 0x00 0x00 R 8 U 0x00 说明 电流I的瞬时值。 电压V1的瞬时值。 电压V2的瞬时值。 保留。该位置始终读出0x000000。 IWV、V1WV和V2WV寄存器的CRC值。详情参见“ADC输出值 的CRC”部分。 配置寄存器的CRC值。详情参见“配置寄存器的CRC”部分。 保留。该位置始终读出0x0000。 同步操作中使用的计数器的快照值。详情参见表14和“同步 多个ADE7912/ADE7913器件”部分。 配置寄存器。详情参见表15。 状态寄存器。详情参见表16。 存储器保护寄存器。详情参见“保护配置寄存器的完整性”部 分和表17。 同步寄存器。详情参见表18。 包含内部同步计数器的8个最低有效位。 COUNTER1[3:0]位包含内部同步计数器的4个最高有效位。详 情请参见“同步多个ADE7912/ADE7913器件”部分。 EMI控制寄存器。管理隔离式DC-DC转换器的PWM控制模块 以降低EMI辐射(详情参见表19和“DC-DC转换器”部分)。 状态寄存器。详情参见表20。 为确保正常工作，请勿写入这些寄存器。 保留寄存器。 未赋予该地址任何功能。 保留寄存器。 TEMPOS R 8 S N/A 温度传感器失调。详情参见“温度传感器”部分。 表14. CNT_SNAPSHOT寄存器(地址0x7) 位位置 11:0 15:12 位名称 Counter 保留 默认值 0x000 0000 说明 同步操作中使用的计数器的快照值。 保留。这些位无任何功能。 Rev. 0 | Page 41 of 44 ADE7912/ADE7913 表15. CONFIG寄存器(地址0x8) 位位置 0 位名称 CLKOUT_EN 默认值 0 1 2 保留 PWRDWN_EN 0 0 3 TEMP_EN 0 5:4 ADC_FREQ 00 6 7 SWRST BW 0 0 说明 使能CLKOUT/DREADY引脚的CLKOUT功能。当CLKOUT_EN = 0(默认值)时，DREADY功 能使能。当CLKOUT_EN = 1时，CLKOUT功能使能。 保留。该位不管理任何功能。 关断DC-DC转换器。当PWRDWN_EN = 0(默认值)时，DC-DC转换器正常工作， Σ-Δ型调制器有效。当PWRDWN_EN = 1时，DC-DC转换器关闭，Σ-Δ型调制器 关断。 该位选择第二电压通道测量。当TEMP_EN位设为0(默认值)时，测量V2P与VM 引脚之间的电压。当此位为1时，测量内部温度传感器(更多信息参见“温度传 感器”部分)。对于ADE7912，始终测量内部温度传感器，该位无意义。 这些位选择ADC输出频率。 00 = 8 kHz，周期125 µs。 01 = 4 kHz，周期250 µs。 10 = 2 kHz，周期500 µs。 11 = 1 kHz，周期1 ms。 该位置1时，启动软件复位。经过一个CLKIN周期后，该位自动清0。 选择ADC数字低通滤波器的带宽。当BW = 0(默认值)时，带宽为3.3 kHz。当BW = 1 时，带宽为2 kHz。带宽数据是针对CLKIN = 4.096 MHz且ADC输出频率为8 kHz 而言的。有关CLKIN和ADC输出频率如何影响带宽选择的详细信息，参见“模数 转换”部分。 表16. STATUS0寄存器(地址0x9) 位位置 0 位名称 RESET_ON 默认值 1 1 2 CRC_STAT IC_PROT 0 0 7:3 保留 0 说明 复位期间，RESET_ON位设置为1。当复位结束且ADE7912/ADE7913可以进行配 置时，RESET_ON位清0。 如果配置寄存器的CRC值发生改变，CRC_STAT位就会置1。 配置寄存器不受保护时，此位为0。配置寄存器受到保护时(lock寄存器 = 0xCA)， 此位置1。 保留。这些位无任何功能。 表17. Lock寄存器(地址0xA) 位位置 7:0 位名称 LOCK_KEY 默认值 00000000 说明 当LOCK_KEY位等于0xCA时，配置寄存器的保护使能。当LOCK_KEY位等于0x9C 时，保护禁用，可以写入配置寄存器。 这是一个只写寄存器。读取该地址位置时，值为0x00。 表18. SYNC_SNAP寄存器(地址0xB) 位位置 0 位名称 Sync 默认值 0 1 Snap 0 7:2 保留 0 说明 通过广播SPI写操作将sync位设置为1时，系统中的ADE7912/ADE7913器件在同 一时刻产生ADC输出。经过一个CLKIN周期后，该位自动清0。详情请参见“同 步多个ADE7912/ADE7913器件”部分。 通过广播SPI写操作将snap位设置为1时，系统中的ADE7912/ADE7913器件的内 部计数器被锁存。经过一个CLKIN周期后，该位自动清0。详情请参见“同步多 个ADE7912/ADE7913器件”部分。 保留。这些位无任何功能。 Rev. 0 | Page 42 of 44 ADE7912/ADE7913 表19. EMI_CTRL寄存器(地址0xE) 位位置 0 1 2 3 4 5 6 7 位名称 SLOT0 SLOT1 SLOT2 SLOT3 SLOT4 SLOT5 SLOT6 SLOT7 默认值 1 1 1 1 1 1 1 1 说明 在CLKIN/4时钟的时隙0中控制PWM控制模块脉冲(详情参见“DC-DC转换器”部分)。 在CLKIN/4时钟的时隙1中控制PWM控制模块脉冲。 在CLKIN/4时钟的时隙2中控制PWM控制模块脉冲。 在CLKIN/4时钟的时隙3中控制PWM控制模块脉冲。 在CLKIN/4时钟的时隙4中控制PWM控制模块脉冲。 在CLKIN/4时钟的时隙5中控制PWM控制模块脉冲。 在CLKIN/4时钟的时隙6中控制PWM控制模块脉冲。 在CLKIN/4时钟的时隙7中控制PWM控制模块脉冲。 表20. STATUS1寄存器(地址0xF) 位位置 2:0 3 位名称 Version ADC_NA 默认值 0 0 6:4 7 保留 保留 0 0 说明 ADE7912/ADE7913版本号。 如果在一个ADC输出周期中未访问ADC输出，则ADC_NA位设置为1。 读取STATUS1寄存器时，该位清0。 保留。这些位无任何功能。 保留。内部功能与该位相关。 Rev. 0| Page 43 of 44 ADE7912/ADE7913 外形尺寸 15.40 15.30 15.20 1.93 REF 20 11 1 PIN 1 MARK 10 2.64 2.54 2.44 2.44 2.24 0.30 0.20 0.10 COPLANARITY 0.1 10.51 10.31 10.11 1.27 BSC 0.46 0.36 0.71 0.50 0.31 0.25 BSC GAGE PLANE SEATING PLANE 45° 1.01 0.76 0.51 COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MS-013 0.32 0.23 8° 0° 11-15-2011-A 7.60 7.50 7.40 图62. 20引脚标准小型封装，具有增强的爬电性能[SOIC_IC] 宽体 (RI-20-1) 图示尺寸单位：mm 订购指南 型号1, 2 ADE7912ARIZ ADE7912ARIZ-RL ADE7913ARIZ ADE7913ARIZ-RL EVAL-ADE7913EBZ EVAL-SDP-CB1Z 1 2 温度范围 −40°C至+85°C −40°C至+85°C −40°C至+85°C −40°C至+85°C 封装描述 20引脚 SOIC_IC 20引脚 SOIC_IC，13"卷带和卷盘 20引脚 SOIC_IC 20引脚 SOIC_IC，13"卷带和卷盘 评估板 评估系统控制板 Z = 符合RoHS标准的器件。 EVAL-SDP-CB1Z是用于管理EVAL-ADE7913EBZ评估板的控制板。两种板必须一起订购。 ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. D11115sc-0-11/13(0) Rev. 0 | Page 44 of 44 封装选项 RI-20-1 RI-20-1 RI-20-1 RI-20-1