Atmel M90E26：单相高性能宽量程电能计量IC的深度解析

在电子工程师的日常工作中，电能计量IC是一个关键的组件，特别是在涉及到单相电能计量的应用场景中。Atmel M90E26作为一款高性能宽量程的电能计量IC，具备诸多出色的特性和功能，能够满足多种应用需求。今天，我们就来深入探讨一下这款IC的各个方面。

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一、产品概述

Atmel M90E26是一款专为单相两线（1P2W）、单相三线（1P3W）或防篡改电能表设计的高性能宽量程电能计量芯片。它不仅可以用于有功和无功电能计量，还能在需要测量电压、电流等参数的电力仪器中发挥作用。其采用ADC和DSP技术，确保了芯片在电网和环境条件变化时的长期稳定性。

二、特性亮点

（一）计量特性

1. 高精度计量：在5000:1的动态范围内，有功电能计量精度可达0.1%，无功电能计量精度可达0.2%。这种高精度能够满足大多数电能计量的需求，确保计量结果的准确性。
2. 符合标准：完全符合IEC62052 - 11、IEC62053 - 21和IEC62053 - 23的要求，适用于1级或2级单相有功电能表或2级单相无功电能表。
3. 温度系数低：片上参考电压的温度系数典型值为15 ppm/℃，这意味着在不同的温度环境下，芯片的性能依然能够保持稳定。
4. 单点校准：有功电能在5000:1的动态范围内只需单点校准，无功电能无需校准，大大简化了校准过程。
5. 多参数测量：能够测量多种电气参数，如Vrms、Irms、平均有功/无功/视在功率、频率、功率因数和相角等，且基准误差小于±0.5%。
6. 独立能量寄存器：具备正向/反向有功/无功电能的独立能量寄存器，有功/无功电能可以通过脉冲输出或通过能量寄存器读取，以适应不同的应用需求。
7. 可编程阈值：可编程启动和空载功率阈值，方便根据实际应用进行调整。
8. 灵活的采样电路：采用专用ADC和不同增益的L线和N线电流采样电路，电流可以通过分流电阻或电流互感器（CT）采样，电压可以通过电阻分压器网络或电压互感器（PT）采样。
9. 多种计量模式：可编程L线和N线计量模式，包括防篡改模式、L线模式、L + N模式和灵活模式，并且在防篡改模式下还可以设置L线和N线功率差阈值。

（二）其他特性

1. 电源要求：采用3.3V单电源供电，工作电压范围为2.8 - 3.6V，在3.0 - 3.6V范围内可保证计量精度。数字输入兼容5V。
2. 内置复位功能：内置上电复位迟滞功能，确保芯片在电源上电时能够正常启动。
3. 接口选择：可选UART接口和SPI接口（四线SPI接口或简化的三线SPI接口，所有寄存器操作固定为24个周期），方便与其他设备进行通信。
4. 诊断和中断功能：具备参数诊断功能和可编程的IRQ中断信号和WarnOut信号输出，能够及时发现和处理异常情况。
5. 电压检测和过零输出：可编程电压跌落检测和过零输出，有助于实现继电器操作和电力线载波传输等功能。
6. 通道输入范围：不同通道具有特定的输入范围，并且L线电流增益和N线增益均可编程，以适应不同的应用场景。
7. 补偿功能：支持L线和N线偏移补偿，提高计量的准确性。
8. 脉冲输出：CF1和CF2分别输出有功和无功电能脉冲，可用于校准或能量累积。
9. 晶体振荡器：晶体振荡器频率为8.192 MHz，为芯片提供稳定的时钟信号。

三、引脚分配与描述

M90E26采用SSOP28封装，每个引脚都有其特定的功能。例如，Reset引脚用于复位芯片，DVDD和AVDD分别为数字和模拟部分提供电源，Vref引脚输出参考电压等。详细的引脚描述可以参考数据手册中的表格，这里就不一一赘述了。在实际应用中，正确连接和使用这些引脚是确保芯片正常工作的关键。

四、功能详细描述

（一）动态计量范围

在5000:1的动态范围内，有功电能计量精度为0.1%，无功电能计量精度为0.2%。具体的误差数据可以参考数据手册中的表格，不同的电流和功率因数条件下，误差会有所不同。这一特性使得M90E26能够在较宽的电流范围内准确计量电能。

（二）启动和空载功率

启动和空载功率阈值均可编程，相关寄存器包括PStartTh、PNolTh、QStartTh和QNolTh。当启动功率小于对应20mA功率（功率因数或sinφ为1.0）时，M90E26将在配置启动功率理论启动时间的1.2倍内启动。同时，芯片具有空载状态位，在有功或无功空载状态下，不会输出相应的脉冲。

（三）能量寄存器

M90E26提供与有功/无功电能成比例的能量脉冲输出CFx（CF1/CF2），也可以通过能量寄存器读取电能。能量寄存器包括正向（感性）、反向（容性）和绝对能量寄存器，每个寄存器在读取后会被清零，分辨率为0.1CF。

（四）N线计量和防篡改

1. 计量模式和增益配置：通过MMD1和MMD0引脚可以配置计量模式，包括防篡改模式、L线模式、L + N模式和灵活模式。L线和N线电流采样电路具有不同的增益配置，L线增益可以是1、4、8、16和24，N线增益可以是1、2和4，配置通过MMode寄存器（2BH）完成。
2. 防篡改模式：在防篡改模式下，可以设置L线和N线之间的功率差阈值，有16种选择，默认值为3.125%。通过比较L线和N线的有功功率，自动切换计量线，以防止篡改。在低功率情况下，会采用特殊处理，确保L线和N线正常启动。

（五）测量和过零

1. 测量功能：M90E26可以测量电压rms、电流rms（L线/N线）、平均有功功率（L线/N线）、平均无功功率（L线/N线）、电压频率、功率因数（L线/N线）、电压和电流之间的相角（L线/N线）以及平均视在功率（L线/N线）等参数。除频率外，其他测量的精度为0.5%，频率精度为0.01Hz。
2. 过零功能：ZX引脚在采样电压过零时被置位，过零模式可以通过Zxcon[1:0]位（MMode，2BH）配置为正过零、负过零或全过零。过零信号在智能电表应用中可以方便地实现继电器操作和电力线载波传输等功能。

（六）校准

校准包括计量校准和测量校准。

1. 计量校准：在特定电流（基本电流(I_{b})）下进行计量校准后，M90E26的设计方法可以保证在整个动态范围内的精度。校准步骤包括在单位功率因数下校准增益，在0.5感性功率因数下校准相角补偿。同时，芯片提供功率偏移补偿功能，以改善计量性能。L线和N线需要依次校准，有功能量校准完成后，无功能量无需校准。
2. 测量校准：测量校准包括电压rms和电流rms的增益校准，以及电压rms、电流rms、平均有功功率和平均无功功率的偏移补偿。芯片的设计方法可以保证频率、相角和功率因数测量的自动校准。

（七）复位

M90E26具有三种复位方式：上电复位、硬件复位和软件复位。上电复位在电源上电时启动，硬件复位通过将复位引脚拉低实现，复位信号宽度应超过200μs，软件复位通过向软件复位寄存器（SoftReset，00H）写入‘789AH’实现。复位后，所有寄存器将恢复到默认值。

五、接口

（一）SPI接口

SPI接口是一个全双工、同步通道，有四线模式和三线模式。在四线模式下，使用CS、SCLK、SDI和SDO四个引脚；在三线模式下，使用SCLK、SDI和SDO三个引脚。数据在SDI上的上升沿移入芯片，在SDO上的下降沿移出芯片。LastData寄存器（06H）存储刚刚读取或写入的16位数据。

（二）UART接口

UART接口仅支持8位数据，无奇偶校验功能。读写事务由6字节传输组成，主机始终发送第一个字节‘FEH’。M90E26在接收到主机命令后，如果校验和正确，将在5ms内将数据和/或校验和字节发送回主机。UART波特率由主机确定，M90E26可以自动检测，支持的波特率为2400和9600。

（三）WarnOut引脚

WarnOut引脚用于致命错误警告，在两种情况下会发出警告：校验和校准错误和电压跌落。当出现这些情况时，WarnOut引脚和IRQ引脚会被置位，提醒用户注意。

（四）与MCU隔离的低成本实现

当M90E26与MCU隔离时，可以通过低速光耦实现SPI/UART的读写操作，能量脉冲CFx可以通过读取相应的能量寄存器进行累积，致命错误可以通过读取CalErr[1:0]位（SysStatus，01H）获取，IRQ中断可以通过读取SysStatus寄存器（01H）获取，复位可以通过向软件复位寄存器（SoftReset，00H）写入‘789AH’实现。

六、寄存器

M90E26包含多种寄存器，包括状态和特殊寄存器、计量校准和配置寄存器、测量校准寄存器、能量寄存器和测量寄存器等。每个寄存器都有其特定的功能和地址，通过对这些寄存器的读写操作，可以实现对芯片的各种配置和控制。例如，通过设置CalStart寄存器可以启动计量校准，通过读取能量寄存器可以获取电能数据等。

七、电气规格

（一）精度和性能

在特定的测试条件下，M90E26的直流电源抑制比（PSRR）和交流电源抑制比（PSRR）均为±0.1%，有功能量误差在5000:1的动态范围内为±0.1%，测量误差为±0.5%。

（二）通道特性

采样频率为8 kHz，谐波计量带宽为1.1 kHz，不同通道具有特定的输入范围和输入阻抗，以及直流偏移。

（三）参考和时钟

片上参考电压为1.26 V，参考电压温度系数为±15 ±40 ppm/°C，晶体或外部时钟频率为8.192 MHz，精度为±100 ppm。

（四）接口特性

SPI接口位速率为200 - 160k bps，UART接口波特率为2400或9600 bps，UART接口公差为±2 %。

（五）脉冲宽度和ESD等特性

CFx脉冲宽度根据不同的条件进行调整，ESD方面，带电设备模型（CDM）为500 V，人体模型（HBM）为2000 V，闩锁电流为±100 mA，闩锁电压为4.95 V。

八、总结

Atmel M90E26是一款功能强大、性能优异的单相电能计量IC。它具有高精度、多种计量模式、灵活的接口和丰富的寄存器配置等特点，能够满足不同应用场景的需求。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的需求，合理选择和配置芯片的各个参数，以确保系统的稳定性和准确性。同时，要注意芯片的电气规格和接口要求，避免出现错误。大家在使用这款芯片的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区留言分享。