Atmel M90E26：单相高性能宽量程电能计量IC的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，电能计量芯片的选择至关重要。Atmel M90E26作为一款单相高性能宽量程电能计量IC，凭借其出色的性能和丰富的功能，在众多同类产品中脱颖而出。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

文件下载：ATM90E26-YU-B.pdf

一、芯片概述

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电能计量芯片。它采用了先进的ADC和DSP技术，能够在电网和环境条件变化的情况下确保芯片的长期稳定性，可广泛应用于需要测量电压、电流等参数的电力仪器中。

二、主要特性

（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%。芯片的片上参考电压温度系数典型值为15 ppm/℃，确保了在不同温度环境下的计量准确性。
2. 单点校准：有功电能在5000:1的动态范围内只需进行单点校准，而无功电能无需校准，大大简化了校准过程。
3. 电能常数加倍：在低电流情况下，电能表常数加倍，可节省验证时间，提高效率。
4. 电气参数测量：对Vrms、Irms、平均有功/无功/视在功率、频率、功率因数和相角等电气参数的测量，基准误差小于±0.5%，为电力系统的监测和分析提供了准确的数据支持。
5. 独立能量寄存器：具有正向/反向有功/无功能量的独立能量寄存器，有功/无功能量可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。
6. 可编程阈值：可编程的启动和无负载功率阈值，可根据实际应用场景进行灵活调整。
7. 电流采样电路：具有专用的ADC和不同增益的L线和N线电流采样电路，可通过分流电阻或电流互感器（CT）进行电流采样，通过电阻分压器网络或电压互感器（PT）进行电压采样。
8. 计量模式灵活：可编程的L线和N线计量模式，包括防篡改模式（大功率）、L线模式（固定L线）、L + N模式（适用于单相三线系统）和灵活模式（通过寄存器配置），并可设置防篡改模式下的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3.0V~3.6V范围内可保证计量精度。数字输入与5V兼容。
2. 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稳定启动。
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. 诊断与中断：具有参数诊断功能和可编程的IRQ中断信号和WarnOut信号的中断输出，可及时发现并处理异常情况。
5. 电压凹陷检测：可编程的电压凹陷检测和过零输出功能，可用于智能电表中的继电器操作和电力线载波传输等应用。
6. 输入范围：电压通道（增益为'1'时）输入范围为120μVrms~600mVrms；L线电流通道（增益为'24'时）输入范围为5μVrms~25mVrms；N线电流通道（增益为'1'时）输入范围为120μVrms~600mVrms。
7. 增益可编程：L线电流增益可编程为1、4、8、16、24；N线增益可编程为1、2、4，并支持L线和N线的偏移补偿。
8. 脉冲输出：CF1和CF2分别输出有功和无功电能脉冲，可用于校准或电能累积。
9. 晶振频率：晶体振荡器频率为8.192 MHz。
10. 封装与温度范围：采用绿色SSOP28封装，工作温度范围为 -40℃ ~ +85℃，适应各种恶劣环境。

三、功能详解

（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%。具体的计量误差可参考文档中的表2和表3，不同电流和功率因数下的误差都有明确的规定。

（二）启动和无负载功率

启动和无负载功率阈值对于有功和无功功率都是可编程的，相关寄存器包括PStartTh（27H）、PNolTh（28H）、QStartTh（29H）和QNolTh（2AH）。当启动功率小于功率因数或sinφ为1.0时对应20mA的功率时，M90E26将在配置启动功率理论启动时间的1.2倍内启动。此外，芯片具有无负载状态位，在有功无负载状态下不输出有功脉冲（CF1），在无功无负载状态下不输出无功脉冲（CF2）。

（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），在系统应用中通常通过累加CFx脉冲来累积电能。同时，芯片还提供了能量寄存器，包括正向（感性）、反向（容性）和绝对能量寄存器，用于有功和无功电能的记录。每个能量寄存器在读取后会被清除，分辨率为0.1CF，即一个LSB代表0.1个能量脉冲。

（四）N线计量和防篡改

1. 计量模式和L/N线电流采样增益配置：M90E26具有两个电流采样电路，通过MMD1和MMD0引脚配置计量模式，包括防篡改模式、L线模式、L + N模式和灵活模式。L线增益可配置为1、4、8、16和24，N线增益可配置为1、2和4，通过MMode寄存器（2BH）进行配置。
2. 防篡改模式：在防篡改模式下，L线和N线之间的功率差阈值有16种选择，可通过Pthresh[3:0]位（MMode, 2BH）进行配置，默认值为3.125%。该阈值适用于有功电能，无功电能的计量线跟随有功电能。当满足一定条件时，计量线会自动切换，以实现阈值附近的滞后效应。在低功率情况下，为确保L线和N线正常启动，会选择功率较高的线作为计量线。

（五）测量和过零

1. 测量功能：M90E26可测量电压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）。除频率外，其他测量值的基准误差均在0.5%以内，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。过零信号可方便智能电表中的继电器操作和电力线载波传输等操作。

（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的设计方法可确保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。此外，芯片还提供了功率偏移补偿功能，以提高计量性能，特别是在采用分流电阻作为L线电流传感器时，可减少电路干扰对计量的影响。L线和N线需要依次进行校准，无功电能在有功电能校准完成后无需校准。
2. 测量校准：测量校准包括电压rms和电流rms的增益校准，同时考虑到外部组件可能导致的零附近的非线性，芯片还提供了电压rms、电流rms、平均有功功率和平均无功功率的偏移补偿。对于频率、相角和功率因数的测量，芯片的设计方法可确保自动校准。

（七）复位

M90E26具有片上电源监控电路和内置迟滞功能，仅在特定电压范围内工作。芯片有三种复位方式：上电复位、硬件复位和软件复位。复位后，所有寄存器将恢复到默认值。

1. 上电复位：在电源上电时启动。
2. 硬件复位：当复位引脚拉低时启动，复位信号宽度应超过200μs。
3. 软件复位：向软件复位寄存器（SoftReset, 00H）写入‘789AH’时启动。

四、接口

（一）SPI接口

SPI是一种全双工、同步通道，有四线模式和三线模式。

1. 四线模式：使用CS、SCLK、SDI和SDO四个引脚。读操作时，SDI上的第一个位定义访问类型，低7位解码为地址，然后从SDO上移出16位数据，一个完整的读操作包含24个周期。写操作时，SDI上先置低，接着是7位寄存器地址，然后将16位数据移入芯片，同样包含24个周期。
2. 三线模式：CS始终处于低电平，当SCLK连续低电平至少400μs时触发读写操作，后续操作与四线模式类似。
3. 超时和保护：在四线和三线模式下，如果SCLK在6ms内不翻转，则会发生超时，读写操作将被中止。在四线模式下，如果CS拉低时有超过24个SCLK周期，写操作将被禁止，而读操作可通过前24个SCLK周期完成，但读取结果可能不是预期的。对无效地址的读访问返回全零，写访问将被丢弃。

（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个字节的传输组成，主机始终从发送第一个字节‘FEH’开始。第二个字节为RW_ADDRESS，包含R/W位（bit7）和7位地址位（bit6 - 0）。M90E26在收到主机命令后，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。主机字节间隔（两个连续字节之间的空闲时间）大于20ms时，M90E26将使当前事务超时。UART波特率由主机确定，M90E26可自动检测，支持的波特率为2400和9600。

（三）WarnOut引脚用于致命错误警告

当出现校验和校准错误或电压凹陷时，WarnOut引脚会发出致命错误警告。

1. 校准错误：M90E26会定期对重要参数（如校准参数和计量配置）进行诊断。当校验和不正确时，CalErr[1:0]位（SysStatus, 01H）被置位，WarnOut引脚和IRQ引脚被置高。此时，计量部分停止工作，以防止在通电或参数不正确时产生大量脉冲。
2. 电压凹陷：当电压从任何过零点开始连续低于电压凹陷阈值一个周期时，检测到电压凹陷。电压阈值由SagTh寄存器（03H）配置。当电压凹陷发生时，如果FuncEn寄存器（02H）通过WarnOut引脚启用电压凹陷警告，则SagWarn位（SysStatus, 01H）被置位，WarnOut引脚被置高。

（四）与MCU隔离的低成本实现

当M90E26与MCU隔离时，可通过以下方式实现低成本功能：

1. SPI/UART：MCU可通过低速光耦（如PS2501）对M90E26进行读写操作，SPI接口可以是三线或四线模式。
2. 能量脉冲CFx：可通过读取相应的能量寄存器来累积电能，CFx也可连接到光耦，通过CFx点亮能量脉冲指示灯。
3. 致命错误WarnOut：可通过读取CalErr[1:0]位（SysStatus, 01H）获取致命错误信息。
4. IRQ：可通过读取SysStatus寄存器（01H）获取IRQ中断信息。
5. 复位：向软件复位寄存器（SoftReset, 00H）写入‘789AH’可对M90E26进行复位。

五、寄存器

M90E26的寄存器涵盖了状态和特殊寄存器、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多个类别，每个寄存器都有其特定的功能和用途。通过对这些寄存器的配置和操作，可以实现芯片的各种功能和特性。

六、电气规格

文档详细列出了M90E26的电气规格，包括精度、通道特性、模拟输入、参考电压、时钟、SPI/UART接口、脉冲宽度、ESD、闩锁效应、工作条件和直流特性等方面的参数。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据，确保芯片在不同的工作条件下都能稳定可靠地工作。

七、总结

Atmel M90E26以其高精度的计量性能、丰富的功能特性和灵活的接口配置，为单相电能计量应用提供了一个优秀的解决方案。无论是在智能电表、电力监测设备还是其他需要电能计量的领域，M90E26都能发挥出其卓越的性能。作为电子工程师，在选择电能计量芯片时，M90E26无疑是一个值得考虑的选择。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。