MCP39F511 - Power-Monitoring IC with Calculation and Energy Accumulation

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 1

MCP39F511N

Features

• Power Monitoring of Two Loads with accuracy of 

0.5% across 4000:1 Dynamic Range

• Built-in Calculations on Fast 16-bit Processing 

Core:
- Active, Reactive, Apparent Power
- True RMS Current, RMS Voltage
- Line Frequency, Power Factor

• 64-bit Wide Import and Export Active Energy 

Accumulation Registers Per Channel

• 64-bit Four Quadrant Reactive Energy 

Accumulation Registers Per Channel

• Signed Active and Reactive Power Outputs
• Dedicated Zero Crossing Detection (ZCD) Pin 

Output with Less than 200 µs Latency

• Dedicated PWM Output Pin with Programmable 

Frequency and Duty Cycle

• Automatic Event Pin Control through Fast Voltage 

Surge Detection
- Less than 5 ms Delay

• Two-Wire Serial Protocol with Selectable Baud 

Rate up to 115.2 kbps using Universal 
Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) 

• Fast Calibration Routines and Simplified 

Command Protocol

• 512 Bytes User-Accessible EEPROM through 

Page Read/Write Commands

• Low-Drift Internal Voltage Reference, 10 ppm/°C 

Typical

• 28-lead 5x5 QFN Package
• Extended Temperature Range: -40°C to +125°C

Applications

• Wall Socket (Dual Plug) Power Monitoring
• Power Monitoring for Home Automation
• Industrial Lighting Power Monitoring
• Real-Time Measurement of Input Power for 

AC-DC Supplies

• Intelligent Power Distribution Units

Description

The  MCP39F511N  is  a  highly  integrated,  complete
dual-channel  single-phase  power-monitoring  IC
designed for real-time measurement of input power for
dual-socket  wall  outlets,  power  strips,  and  consumer
and  industrial  applications.  It  includes  dual-channel
24-bit 

Delta-Sigma 

ADCs 

for 

dual-current

measurements,  a  10-bit  SAR  ADC  for  voltage
measurement,  a  16-bit  calculation  engine,  EEPROM
and a flexible two-wire interface. An integrated low-drift
voltage reference with 10 ppm/°C in addition to 94.5 dB
of SINAD performance on each measurement channel
allow for better than 0.5% accurate designs across a
4000:1 dynamic range.

Package Types 

1

25

2

3

4

5

8

9 10 11 12

21

20

19

18

17

28 27 26

24

EVENT1

NC

UART_RX

COMMON

A

NC

NC

NC

AV

DD

UA

R

T

_T

X

RES

E

T

DV

DD

D

GN

D

MC

LR

EP
29

6

7

OSCI

OSCO

13 14

COM

M

O

N

B

PW

M

16

15

23 22

REF

IN+/OUT

ZC

D

I1+

I1-

I2-

I2+

V+

A

GND

D

GN

D

EVENT2

DR

MCP39F511N

5x5 QFN*

*Includes Exposed Thermal Pad (EP); see 

Table 3-1

.

Dual-Channel, Single-Phase Power-Monitoring IC with Calculation

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 2

MCP39F511N

Functional Block Diagram   

24-bit Delta-Sigma 

Multi-level

+

-

SI

NC

3

D

ig

ita

l F

ilte

r

Modulator ADC 

PGA 

I1+

I1-

24-bit Delta-Sigma 

Multi-level

+

-

SI

NC

3

D

ig

ita

l F

ilte

r

Modulator ADC 

PGA 

I2+

I2-

16-BIT

CORE

Calculation

Engine 

(CE)

Digital Outputs

UART

Serial

Interface

UART_TX

UART_RX

EVENT1

FLASH

 10-bit SAR

ADC

OSCI

OSCO

Timing 

Generation

Internal

Oscillator

Generation

AV

DD

A

GND

DV

DD

D

GND

EVENT2

PWM

ZCD

V+

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 3

MCP39F511N

Typical Application 

D

GND

OSCO

OSCI

DV

DD

RESET

AV

DD

I1-

I1+

V+

NC

NC

NC

REFIN/OUT+

A

GND

COMMON

A,B

NC

+3.3V

N

L

MCP1754

A

GND

D

GND

33 nF

33 nF

1 k

1 k

499 k

8 MHz

22 pF

22 pF

0.01 µF

0.47 µ F 470

470 µF

10

1 µF

0.1 µF

0.1 µF

0.1 µF

Leave Floating

N.C. 

(OPTIONAL)

+3.3V

to MCU 

to MCU 

UART_RX

UART_TX

DR

(OPTIONAL)

Connect on PCB

EVENT1

ZCD

EVENT2

PWM

MCP39F511N

499 k

2 m

LO
AD

2 m

LO
AD

I2-

33 nF

1 k

I2+

33 nF

1 k

N

L

47 µ F

51 k

51 k

+3.3V

UART

UART

+

Note:

The external sensing components shown here, the 2 mΩ shunts, two 499 kΩ and 5.1 kΩ resistor for the
200:1 voltage divider, are specifically chosen to match the default values for the calibration registers
defined  in 

Section 6.0  “Register  Descriptions”

.  By  choosing  low-tolerance  components  of  these

values  (e.g.  1%  tolerance),  measurement  accuracy  in  the  2-3%  range  can  be  achieved  with  zero
calibration. See 

Section 9.0 “MCP39F511N Calibration”

 for more information.

33 nF

1 k

33 nF

5.1 k

+

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 4

MCP39F511N

1.0

ELECTRICAL 
CHARACTERISTICS

Absolute Maximum Ratings †

DV

DD

.................................................................. -0.3 to +4.5V

AV

DD

................................................................... -0.3 to +4.0V

Digital inputs and outputs w.r.t. A

GND

...............-0.3V to +4.0V

Analog Inputs (I+,I-,V+,V-) w.r.t. A

GND

....................-2V to +2V

V

REF

 input w.r.t. A

GND

......................... ....-0.6V to AV

DD 

+0.6V

Maximum Current out of D

GND

 pin ............................. 300 mA

Maximum Current into DV

DD

 pin ................................ 250 mA

Maximum Output Current Sunk by Digital IO ............... 25 mA
Maximum Current Sourced by Digital IO ...................... 25 mA
Storage temperature..................................... -65°C to +150°C
Ambient temperature with power applied ..... -40°C to +125°C
Soldering temperature of leads (10 seconds)............. +300°C
ESD on the analog inputs (HBM,MM) ................ 4.0 kV, 200V
ESD on all other pins (HBM,MM) ....................... 4.0 kV, 200V

† Notice: Stresses above those listed under “Maximum
Ratings” may cause permanent damage to the device.
This is a stress rating only and functional operation of
the device at those or any other conditions above those
indicated in the operation listings of this specification is
not implied. Exposure to maximum rating conditions for
extended periods may affect device reliability.

1.1

Specifications 

TABLE 1-1:

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

Electrical Specifications: Unless otherwise indicated, all parameters apply across both channels at AV

DD, 

DV

DD

 = 2.7 to 3.6V, 

T

A

= -40°C to +125°C, MCLK = 4 MHz, PGA GAIN = 1.

Characteristic

Sym.

Min.

Typ.

Max.

Units

Test Conditions

Power Measurement
Active Power (

Note 1

)

P

±0.5

%

4000:1 Dynamic Range 
on Current Channel 
(

Note 2

)

Reactive Power (

Note 1

)

Q

±0.5

%

4000:1 Dynamic Range 
on Current Channel 
(

Note 2

)

Apparent Power (

Note 1

)

S

±1

%

4000:1 Dynamic Range 
on Current Channel 
(

Note 2

)

Current RMS (

Note 1

)

I

RMS

±1

%

4000:1 Dynamic Range 
on Current Channel 
(

Note 2

)

Voltage RMS (

Note 1

)

V

RMS

±1

%

4000:1 Dynamic Range 
on Voltage Channel 
(

Note 2

)

Power Factor (

Note 1

)

±1

%

Line Frequency (

Note 1

)

LF

±1

%

Note 1: Calculated from reading the register values with no averaging, single computation cycle with accumulation 

interval of 16 line cycles, channel 1 or channel 2.

2: Specification by design and characterization; not production tested.
3: N = Value in the Accumulation Interval Parameter register. The default value of this register is 4 or 

T

CAL

= 320 ms for 50 Hz line.

4: Applies to Voltage Sag and Voltage Surge events only.
5: Applies to all gains. Offset and gain errors depend on the PGA gain setting. See 

Section 2.0 “Typical 

Performance Curves”

 for typical performance.

6: V

IN

= 1 V

PP

= 353 mV

RMS

@ 50/60 Hz.

7: Variation applies to internal clock and UART only.

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 5

MCP39F511N

Calibration, Calculation and Event Detection Times
Auto-Calibration Time

t

CAL

2

N

x (1/f

LINE

)

ms

Note 3

Minimum Time 
for Voltage Surge/Sag 
Detection

t

AC_SASU

see

 

Section 7.0

ms

Note 4

24-Bit Delta-Sigma ADC Performance
Analog Input 
Absolute Voltage 

V

IN

-1

+1

V

Analog Input 
Leakage Current

A

IN

1

nA

Differential Input 
Voltage Range

(I1+ – I1-),

(I2+ – I2-)

-600/GAIN

+600/GAIN

mV

V

REF

 = 1.2V, 

proportional to V

REF

Offset Error 

V

OS

-1

+1

mV

Offset Error Drift 

0.5

µV/°C

Gain Error

GE

-4

+4

%

Note 5

Gain Error Drift 

1

ppm/°C

Differential Input 
Impedance

Z

IN

232

k

G = 1

142

k

G = 2

72

k

G = 4

38

k

G = 8

36

k

G = 16

33

k

G = 32

Signal-to-Noise 
and Distortion Ratio

SINAD

92

94.5

dB

Note 6

Total Harmonic Distortion

THD

-106.5

-103

dBc

Note 6

Signal-to-Noise Ratio

SNR

92

95

dB

Note 6

Spurious Free 
Dynamic Range

SFDR

111

dB

Note 6

Crosstalk

CTALK

-122

dB

AC Power 
Supply Rejection Ratio

AC PSRR

-73

dB

AV

DD

 and 

DV

DD

= 3.3V + 0.6V

PP

100 Hz, 120 Hz, 1 kHz

DC Power 
Supply Rejection Ratio

DC PSRR

-73

dB

AV

DD

 and DV

DD

= 3.0 to 

3.6V

DC Common 
Mode Rejection Ratio

DC CMRR

-105

dB

V

CM

 varies 

from -1V to +1V

TABLE 1-1:

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (CONTINUED)

Electrical Specifications: Unless otherwise indicated, all parameters apply across both channels at AV

DD, 

DV

DD

 = 2.7 to 3.6V, 

T

A

= -40°C to +125°C, MCLK = 4 MHz, PGA GAIN = 1.

Characteristic

Sym.

Min.

Typ.

Max.

Units

Test Conditions

Note 1:

Calculated from reading the register values with no averaging, single computation cycle with accumulation 
interval of 16 line cycles, channel 1 or channel 2.

2:

Specification by design and characterization; not production tested.

3:

N = Value in the Accumulation Interval Parameter register. The default value of this register is 4 or 
T

CAL

= 320 ms for 50 Hz line.

4:

Applies to Voltage Sag and Voltage Surge events only.

5:

Applies to all gains. Offset and gain errors depend on the PGA gain setting. See 

Section 2.0 “Typical 

Performance Curves”

 for typical performance.

6:

V

IN

= 1 V

PP

= 353 mV

RMS

@ 50/60 Hz.

7:

Variation applies to internal clock and UART only.

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 6

MCP39F511N

10-Bit SAR ADC Performance for Voltage Measurement
Resolution

N

R

10

bits

Absolute Input Voltage

V

IN

D

GND

- 0.3

DV

DD

+ 0.3

V

Recommended 
Impedance of 
Analog Voltage Source

R

IN

2.5

k

Integral Nonlinearity

I

NL

±1

±2

LSb

Differential Nonlinearity

D

NL

±1

±1.5

LSb

Gain Error

G

ERR

±1

±3

LSb

Offset Error

E

OFF

±1

±2

LSb

Clock and Timings
UART Baud Rate

UDB

1.2

115.2

kbps

See 

Section 3.2

 for 

protocol details

Master Clock 
and Crystal Frequency

f

MCLK

-2%

8

+2%

MHz

Capacitive Loading 
on OSCO pin

COSC2

15

pF

When an external clock is 
used to drive the device

Internal Oscillator 
Tolerance

f

INT_OSC

2

%

-40°C to +85°C only 
(

Note 7

)

Internal Voltage Reference
Internal Voltage 
Reference Tolerance

V

REF

-2%

1.2

+2%

V

Temperature Coefficient

TCV

REF

10

ppm/°C T

A

 = -40°C to +85°C, 

V

REFEXT

 = 0

Output Impedance

Z

OUT

V

REF

2

k

Current, V

REF

AI

DD

V

REF

40

µA

Voltage Reference Input
Input Capacitance

10

pF

Absolute Voltage on 
V

REF+ 

Pin

V

REF+

A

GND

+  1.1V

A

GND

+ 1.3V

V

Power Specifications
Operating Voltage

AV

DD

, DV

DD

2.7

3.6

V

DV

DD

 Start Voltage 

to Ensure Internal 
Power-On Reset Signal

V

POR

D

GND

0.7

V

TABLE 1-1:

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (CONTINUED)

Electrical Specifications: Unless otherwise indicated, all parameters apply across both channels at AV

DD, 

DV

DD

 = 2.7 to 3.6V, 

T

A

= -40°C to +125°C, MCLK = 4 MHz, PGA GAIN = 1.

Characteristic

Sym.

Min.

Typ.

Max.

Units

Test Conditions

Note 1:

Calculated from reading the register values with no averaging, single computation cycle with accumulation 
interval of 16 line cycles, channel 1 or channel 2.

2:

Specification by design and characterization; not production tested.

3:

N = Value in the Accumulation Interval Parameter register. The default value of this register is 4 or 
T

CAL

= 320 ms for 50 Hz line.

4:

Applies to Voltage Sag and Voltage Surge events only.

5:

Applies to all gains. Offset and gain errors depend on the PGA gain setting. See 

Section 2.0 “Typical 

Performance Curves”

 for typical performance.

6:

V

IN

= 1 V

PP

= 353 mV

RMS

@ 50/60 Hz.

7:

Variation applies to internal clock and UART only.

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 7

MCP39F511N

DV

DD

 Rise Rate to 

Ensure Internal 
Power-on Reset Signal

SDV

DD

0.05

V/ms

0 – 3.3V in 0.1s, 0 – 2.5V 
in 60 ms

AV

DD

 Start Voltage to 

Ensure Internal 
Power-on Reset Signal

V

POR

A

GND

2.1

V

AV

DD

 Rise Rate to 

Ensure Internal Power-on 
Reset Signal

SAV

DD

0.042

V/ms

0 – 2.4V in 50 ms

Operating Current

I

DD

15

mA

Data EEPROM Memory
Cell Endurance

EPS

100,000

E/W

Self-Timed 
Write Cycle Time

T

IWD

4

ms

Number of Total 
Write/Erase Cycles 
Before Refresh

R

REF

10,000,000

E/W

Characteristic Retention

T

RETDD

40

Years Provided no other 

specifications are violated

Supply Current during 
Programming

I

DDPD

7

mA

TABLE 1-1:

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (CONTINUED)

Electrical Specifications: Unless otherwise indicated, all parameters apply across both channels at AV

DD, 

DV

DD

 = 2.7 to 3.6V, 

T

A

= -40°C to +125°C, MCLK = 4 MHz, PGA GAIN = 1.

Characteristic

Sym.

Min.

Typ.

Max.

Units

Test Conditions

Note 1:

Calculated from reading the register values with no averaging, single computation cycle with accumulation 
interval of 16 line cycles, channel 1 or channel 2.

2:

Specification by design and characterization; not production tested.

3:

N = Value in the Accumulation Interval Parameter register. The default value of this register is 4 or 
T

CAL

= 320 ms for 50 Hz line.

4:

Applies to Voltage Sag and Voltage Surge events only.

5:

Applies to all gains. Offset and gain errors depend on the PGA gain setting. See 

Section 2.0 “Typical 

Performance Curves”

 for typical performance.

6:

V

IN

= 1 V

PP

= 353 mV

RMS

@ 50/60 Hz.

7:

Variation applies to internal clock and UART only.

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 8

MCP39F511N

 

TABLE 1-2:

SERIAL DC CHARACTERISTICS

Electrical Specifications: Unless otherwise indicated, all parameters apply at AV

DD, 

DV

DD

 = 2.7 to 3.6 V, 

T

A

 = -40°C to +125°C, MCLK = 4 MHz

Characteristic

Sym.

Min.

Typ.

Max.

Units

Test Conditions

High-Level Input Voltage

V

IH

0.8 DV

DD

DV

DD

V

Low-Level Input Voltage

V

IL

0

0.2 DV

DD

V

High-Level Output Voltage

V

OH

3

V

I

OH

= -3.0 mA, V

DD

= 3.6V

Low-Level Output Voltage

V

OL

0.4

V

I

OL

= 4.0 mA, V

DD

= 3.6V

Input Leakage Current

I

LI

1

µA

0.050

0.100

µA

Digital Output pins only 
(ZCD, PWM, EVENT1, 
EVENT2)

TABLE 1-3:

TEMPERATURE SPECIFICATIONS

Electrical Specifications: Unless otherwise indicated, all parameters apply at AV

DD, 

DV

DD

 = 2.7 to 3.6V.

Parameters

Sym.

Min.

Typ.

Max.

Units

Conditions

Temperature Ranges
Operating Temperature Range

T

A

-40

+125

°C

Storage Temperature Range

T

A

-65

+150

°C

Thermal Package Resistance
Thermal Resistance, 28LD 5x5 QFN

JA

36.9

°C/W

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 9

MCP39F511N

2.0

TYPICAL PERFORMANCE CURVES

Note:  Unless  otherwise  indicated,  AV

DD

= 3.3V,  DV

DD

= 3.3V,  T

A

= +25°C,  GAIN = 1,  V

IN

= -0.5 dBFS  at  60 Hz

,

channel 1 or channel 2.

FIGURE 2-1:

Active Power, Gain = 1.

FIGURE 2-2:

RMS Current, Gain = 1.

FIGURE 2-3:

Energy, Gain = 8.

FIGURE 2-4:

Spectral Response.

FIGURE 2-5:

THD Histogram.

FIGURE 2-6:

THD vs. Temperature.

Note:

The graphs and tables provided following this note are a statistical summary based on a limited number of
samples and are provided for informational purposes only. The performance characteristics listed herein
are not tested or guaranteed. In some graphs or tables, the data presented may be outside the specified
operating range (e.g., outside specified power supply range), and therefore outside the warranted range.

-0.50%

-0.40%

-0.30%

-0.20%

-0.10%

0.00%

0.10%

0.20%

0.30%

0.40%

0.50%

0.01

0.1

1

10

100

1000

Measurement Error (%

Current Channel Input Amplitude (mV

PEAK

-0.100%

-0.050%

0.000%

0.050%

0.100%

0.1

1

10

100

1000

RMS Current Error (%

Input Voltage RMS (mV

PP

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1

10

100

1000

10000

100000

Energy

 Accumulation Error (%

)

Energy Accumulation (Watt-Hours)

-200

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0

200

400

600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Amplitude (dB) 

Frequency (Hz)  

f

IN

 = -60 dBFS @ 60 Hz 

f

D

 = 3.9 ksps 

16384 pt FFT 
OSR = 256 

-1

07.3

-1

07.1

-1

07.0

-1

06.8

-1

06.7

-1

06.5

-1

06.4

-1

06.2

-1

06.1

-1

05.9

-1

05.8

Frequency

 of 

Occurr

ence

Total Harmonic Distortion (-dBc)

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

Total H

D

rmonic Distortion

(dBc)

Temperature (°C)

 G = 1

 G = 2

 G = 4

 G = 8

 G = 16

 G = 32

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_dummy/20005473B-html.html
background image

 2015-2018 Microchip Technology Inc.

DS20005473B-page 10

MCP39F511N

Note:  Unless  otherwise  indicated,  AV

DD

= 3.3V,  DV

DD

= 3.3V,  T

A

= +25°C,  GAIN = 1,  V

IN

= -0.5 dBFS  at  60 Hz

,

channel 1 or channel 2.

FIGURE 2-7:

SNR Histogram.

FIGURE 2-8:

SINAD vs. Temperature.

FIGURE 2-9:

Gain Error vs. Temperature.

FIGURE 2-10:

Internal Voltage Reference 

vs. Temperature.

94.2 94.3 94.5 94.6 94.8 94.9 95.1 95.2 95.4 95.5

Frequency of 

Occurrence

Signal-to-Noise and Distortion Ratio (dB)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

Signal

-to-Noise and 

Distortion 

R

a

tio (d

B)

Temperature (°C)

 G = 1

 G = 2

 G = 4

 G = 8

 G = 16

 G = 32

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

Gain Error 

(%

)

Temperature (°C)

 G = 1

 G = 2

 G = 4

 G = 8

 G = 16

 G = 32

1.1999

1.2000

1.2001

1.2002

1.2003

1.2004

1.2005

1.2006

1.2007

1.2008

-50

0

50

100

150

In

tern

al

 V

o

lt

ag

Referen

ce 

(V)

Temperature (°C) 

Maker
Microchip Technology Inc.
Datasheet PDF Download