Atmel M90E26：單相高性能寬量程電能計量IC的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，電能計量芯片的選擇至關重要。Atmel M90E26作為一款單相高性能寬量程電能計量IC，憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多同類產品中脫穎而出。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

文件下載：ATM90E26-YU-B.pdf

一、芯片概述

Atmel M90E26是一款專為單相兩線（1P2W）、單相三線（1P3W）或防篡改電能表設計的電能計量芯片。它采用了先進的ADC和DSP技術，能夠在電網和環境條件變化的情況下確保芯片的長期穩定性，可廣泛應用于需要測量電壓、電流等參數的電力儀器中。

二、主要特性

（一）計量特性

1. 高精度計量：在5000:1的動態范圍內，有功電能計量精度可達0.1%，無功電能計量精度可達0.2%。芯片的片上參考電壓溫度系數典型值為15 ppm/℃，確保了在不同溫度環境下的計量準確性。
2. 單點校準：有功電能在5000:1的動態范圍內只需進行單點校準，而無功電能無需校準，大大簡化了校準過程。
3. 電能常數加倍：在低電流情況下，電能表常數加倍，可節省驗證時間，提高效率。
4. 電氣參數測量：對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的測量，基準誤差小于±0.5%，為電力系統的監測和分析提供了準確的數據支持。
5. 獨立能量寄存器：具有正向/反向有功/無功能量的獨立能量寄存器，有功/無功能量可通過脈沖輸出或通過能量寄存器讀取，以適應不同的應用需求。
6. 可編程閾值：可編程的啟動和無負載功率閾值，可根據實際應用場景進行靈活調整。
7. 電流采樣電路：具有專用的ADC和不同增益的L線和N線電流采樣電路，可通過分流電阻或電流互感器（CT）進行電流采樣，通過電阻分壓器網絡或電壓互感器（PT）進行電壓采樣。
8. 計量模式靈活：可編程的L線和N線計量模式，包括防篡改模式（大功率）、L線模式（固定L線）、L + N模式（適用于單相三線系統）和靈活模式（通過寄存器配置），并可設置防篡改模式下的L線和N線功率差閾值。

（二）其他特性

1. 電源要求：采用3.3V單電源供電，工作電壓范圍為2.8~3.6V，在3.0V~3.6V范圍內可保證計量精度。數字輸入與5V兼容。
2. 復位功能：內置上電復位遲滯功能，確保芯片在電源上電時能穩定啟動。
3. 接口選擇：可選UART接口和SPI接口（四線SPI接口或簡化的三線SPI接口，所有寄存器操作固定為24個周期），方便與其他設備進行通信。
4. 診斷與中斷：具有參數診斷功能和可編程的IRQ中斷信號和WarnOut信號的中斷輸出，可及時發現并處理異常情況。
5. 電壓凹陷檢測：可編程的電壓凹陷檢測和過零輸出功能，可用于智能電表中的繼電器操作和電力線載波傳輸等應用。
6. 輸入范圍：電壓通道（增益為'1'時）輸入范圍為120μVrms~600mVrms；L線電流通道（增益為'24'時）輸入范圍為5μVrms~25mVrms；N線電流通道（增益為'1'時）輸入范圍為120μVrms~600mVrms。
7. 增益可編程：L線電流增益可編程為1、4、8、16、24；N線增益可編程為1、2、4，并支持L線和N線的偏移補償。
8. 脈沖輸出：CF1和CF2分別輸出有功和無功電能脈沖，可用于校準或電能累積。
9. 晶振頻率：晶體振蕩器頻率為8.192 MHz。
10. 封裝與溫度范圍：采用綠色SSOP28封裝，工作溫度范圍為 -40℃ ~ +85℃，適應各種惡劣環境。

三、功能詳解

（一）動態計量范圍

在5000:1的動態范圍內，有功電能計量精度為0.1%，無功電能計量精度為0.2%。具體的計量誤差可參考文檔中的表2和表3，不同電流和功率因數下的誤差都有明確的規定。

（二）啟動和無負載功率

啟動和無負載功率閾值對于有功和無功功率都是可編程的，相關寄存器包括PStartTh（27H）、PNolTh（28H）、QStartTh（29H）和QNolTh（2AH）。當啟動功率小于功率因數或sinφ為1.0時對應20mA的功率時，M90E26將在配置啟動功率理論啟動時間的1.2倍內啟動。此外，芯片具有無負載狀態位，在有功無負載狀態下不輸出有功脈沖（CF1），在無功無負載狀態下不輸出無功脈沖（CF2）。

（三）能量寄存器

M90E26提供與有功/無功電能成比例的能量脈沖輸出CFx（CF1/CF2），在系統應用中通常通過累加CFx脈沖來累積電能。同時，芯片還提供了能量寄存器，包括正向（感性）、反向（容性）和絕對能量寄存器，用于有功和無功電能的記錄。每個能量寄存器在讀取后會被清除，分辨率為0.1CF，即一個LSB代表0.1個能量脈沖。

（四）N線計量和防篡改

1. 計量模式和L/N線電流采樣增益配置：M90E26具有兩個電流采樣電路，通過MMD1和MMD0引腳配置計量模式，包括防篡改模式、L線模式、L + N模式和靈活模式。L線增益可配置為1、4、8、16和24，N線增益可配置為1、2和4，通過MMode寄存器（2BH）進行配置。
2. 防篡改模式：在防篡改模式下，L線和N線之間的功率差閾值有16種選擇，可通過Pthresh[3:0]位（MMode, 2BH）進行配置，默認值為3.125%。該閾值適用于有功電能，無功電能的計量線跟隨有功電能。當滿足一定條件時，計量線會自動切換，以實現閾值附近的滯后效應。在低功率情況下，為確保L線和N線正常啟動，會選擇功率較高的線作為計量線。

（五）測量和過零

1. 測量功能：M90E26可測量電壓rms、電流rms（L線/N線）、平均有功功率（L線/N線）、平均無功功率（L線/N線）、電壓頻率、功率因數（L線/N線）、電壓和電流之間的相角（L線/N線）以及平均視在功率（L線/N線）。除頻率外，其他測量值的基準誤差均在0.5%以內，頻率精度為0.01Hz。
2. 過零功能：ZX引腳在采樣電壓過零時被置位，過零模式可通過Zxcon[1:0]位（MMode, 2BH）配置為正過零、負過零或全過零。過零信號可方便智能電表中的繼電器操作和電力線載波傳輸等操作。

（六）校準

校準包括計量校準和測量校準。

1. 計量校準：在特定電流（基本電流(I_{b})）下進行計量校準后，M90E26的設計方法可確保在整個動態范圍內的精度。校準步驟包括在單位功率因數下校準增益，在0.5感性功率因數下校準相角補償。此外，芯片還提供了功率偏移補償功能，以提高計量性能，特別是在采用分流電阻作為L線電流傳感器時，可減少電路干擾對計量的影響。L線和N線需要依次進行校準，無功電能在有功電能校準完成后無需校準。
2. 測量校準：測量校準包括電壓rms和電流rms的增益校準，同時考慮到外部組件可能導致的零附近的非線性，芯片還提供了電壓rms、電流rms、平均有功功率和平均無功功率的偏移補償。對于頻率、相角和功率因數的測量，芯片的設計方法可確保自動校準。

（七）復位

M90E26具有片上電源監控電路和內置遲滯功能，僅在特定電壓范圍內工作。芯片有三種復位方式：上電復位、硬件復位和軟件復位。復位后，所有寄存器將恢復到默認值。

1. 上電復位：在電源上電時啟動。
2. 硬件復位：當復位引腳拉低時啟動，復位信號寬度應超過200μs。
3. 軟件復位：向軟件復位寄存器（SoftReset, 00H）寫入‘789AH’時啟動。

四、接口

（一）SPI接口

SPI是一種全雙工、同步通道，有四線模式和三線模式。

1. 四線模式：使用CS、SCLK、SDI和SDO四個引腳。讀操作時，SDI上的第一個位定義訪問類型，低7位解碼為地址，然后從SDO上移出16位數據，一個完整的讀操作包含24個周期。寫操作時，SDI上先置低，接著是7位寄存器地址，然后將16位數據移入芯片，同樣包含24個周期。
2. 三線模式：CS始終處于低電平，當SCLK連續低電平至少400μs時觸發讀寫操作，后續操作與四線模式類似。
3. 超時和保護：在四線和三線模式下，如果SCLK在6ms內不翻轉，則會發生超時，讀寫操作將被中止。在四線模式下，如果CS拉低時有超過24個SCLK周期，寫操作將被禁止，而讀操作可通過前24個SCLK周期完成，但讀取結果可能不是預期的。對無效地址的讀訪問返回全零，寫訪問將被丟棄。

（二）UART接口

UART接口僅支持8位數據，無奇偶校驗功能。讀寫事務由6個字節的傳輸組成，主機始終從發送第一個字節‘FEH’開始。第二個字節為RW_ADDRESS，包含R/W位（bit7）和7位地址位（bit6 - 0）。M90E26在收到主機命令后，如果校驗和正確，將在5ms內將數據和/或校驗和字節發送回主機。主機字節間隔（兩個連續字節之間的空閑時間）大于20ms時，M90E26將使當前事務超時。UART波特率由主機確定，M90E26可自動檢測，支持的波特率為2400和9600。

（三）WarnOut引腳用于致命錯誤警告

當出現校驗和校準錯誤或電壓凹陷時，WarnOut引腳會發出致命錯誤警告。

1. 校準錯誤：M90E26會定期對重要參數（如校準參數和計量配置）進行診斷。當校驗和不正確時，CalErr[1:0]位（SysStatus, 01H）被置位，WarnOut引腳和IRQ引腳被置高。此時，計量部分停止工作，以防止在通電或參數不正確時產生大量脈沖。
2. 電壓凹陷：當電壓從任何過零點開始連續低于電壓凹陷閾值一個周期時，檢測到電壓凹陷。電壓閾值由SagTh寄存器（03H）配置。當電壓凹陷發生時，如果FuncEn寄存器（02H）通過WarnOut引腳啟用電壓凹陷警告，則SagWarn位（SysStatus, 01H）被置位，WarnOut引腳被置高。

（四）與MCU隔離的低成本實現

當M90E26與MCU隔離時，可通過以下方式實現低成本功能：

1. SPI/UART：MCU可通過低速光耦（如PS2501）對M90E26進行讀寫操作，SPI接口可以是三線或四線模式。
2. 能量脈沖CFx：可通過讀取相應的能量寄存器來累積電能，CFx也可連接到光耦，通過CFx點亮能量脈沖指示燈。
3. 致命錯誤WarnOut：可通過讀取CalErr[1:0]位（SysStatus, 01H）獲取致命錯誤信息。
4. IRQ：可通過讀取SysStatus寄存器（01H）獲取IRQ中斷信息。
5. 復位：向軟件復位寄存器（SoftReset, 00H）寫入‘789AH’可對M90E26進行復位。

五、寄存器

M90E26的寄存器涵蓋了狀態和特殊寄存器、計量校準和配置寄存器、測量校準寄存器、能量寄存器和測量寄存器等多個類別，每個寄存器都有其特定的功能和用途。通過對這些寄存器的配置和操作，可以實現芯片的各種功能和特性。

六、電氣規格

文檔詳細列出了M90E26的電氣規格，包括精度、通道特性、模擬輸入、參考電壓、時鐘、SPI/UART接口、脈沖寬度、ESD、閂鎖效應、工作條件和直流特性等方面的參數。這些參數為工程師在設計電路時提供了重要的參考依據，確保芯片在不同的工作條件下都能穩定可靠地工作。

七、總結

Atmel M90E26以其高精度的計量性能、豐富的功能特性和靈活的接口配置，為單相電能計量應用提供了一個優秀的解決方案。無論是在智能電表、電力監測設備還是其他需要電能計量的領域，M90E26都能發揮出其卓越的性能。作為電子工程師，在選擇電能計量芯片時，M90E26無疑是一個值得考慮的選擇。大家在實際應用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評論區分享交流。