Atmel M90E26：單相高性能寬量程電能計量IC的深度解析

在電子工程師的日常工作中，電能計量IC是一個關鍵的組件，特別是在涉及到單相電能計量的應用場景中。Atmel M90E26作為一款高性能寬量程的電能計量IC，具備諸多出色的特性和功能，能夠滿足多種應用需求。今天，我們就來深入探討一下這款IC的各個方面。

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一、產(chǎn)品概述

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高性能寬量程電能計量芯片。它不僅可以用于有功和無功電能計量，還能在需要測量電壓、電流等參數(shù)的電力儀器中發(fā)揮作用。其采用ADC和DSP技術，確保了芯片在電網(wǎng)和環(huán)境條件變化時的長期穩(wěn)定性。

二、特性亮點

（一）計量特性

1. 高精度計量：在5000:1的動態(tài)范圍內(nèi)，有功電能計量精度可達0.1%，無功電能計量精度可達0.2%。這種高精度能夠滿足大多數(shù)電能計量的需求，確保計量結果的準確性。
2. 符合標準：完全符合IEC62052 - 11、IEC62053 - 21和IEC62053 - 23的要求，適用于1級或2級單相有功電能表或2級單相無功電能表。
3. 溫度系數(shù)低：片上參考電壓的溫度系數(shù)典型值為15 ppm/℃，這意味著在不同的溫度環(huán)境下，芯片的性能依然能夠保持穩(wěn)定。
4. 單點校準：有功電能在5000:1的動態(tài)范圍內(nèi)只需單點校準，無功電能無需校準，大大簡化了校準過程。
5. 多參數(shù)測量：能夠測量多種電氣參數(shù)，如Vrms、Irms、平均有功/無功/視在功率、頻率、功率因數(shù)和相角等，且基準誤差小于±0.5%。
6. 獨立能量寄存器：具備正向/反向有功/無功電能的獨立能量寄存器，有功/無功電能可以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。
7. 可編程閾值：可編程啟動和空載功率閾值，方便根據(jù)實際應用進行調(diào)整。
8. 靈活的采樣電路：采用專用ADC和不同增益的L線和N線電流采樣電路，電流可以通過分流電阻或電流互感器（CT）采樣，電壓可以通過電阻分壓器網(wǎng)絡或電壓互感器（PT）采樣。
9. 多種計量模式：可編程L線和N線計量模式，包括防篡改模式、L線模式、L + N模式和靈活模式，并且在防篡改模式下還可以設置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3.0 - 3.6V范圍內(nèi)可保證計量精度。數(shù)字輸入兼容5V。
2. 內(nèi)置復位功能：內(nèi)置上電復位遲滯功能，確保芯片在電源上電時能夠正常啟動。
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. 診斷和中斷功能：具備參數(shù)診斷功能和可編程的IRQ中斷信號和WarnOut信號輸出，能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況。
5. 電壓檢測和過零輸出：可編程電壓跌落檢測和過零輸出，有助于實現(xiàn)繼電器操作和電力線載波傳輸?shù)裙δ堋?/li>
6. 通道輸入范圍：不同通道具有特定的輸入范圍，并且L線電流增益和N線增益均可編程，以適應不同的應用場景。
7. 補償功能：支持L線和N線偏移補償，提高計量的準確性。
8. 脈沖輸出：CF1和CF2分別輸出有功和無功電能脈沖，可用于校準或能量累積。
9. 晶體振蕩器：晶體振蕩器頻率為8.192 MHz，為芯片提供穩(wěn)定的時鐘信號。

三、引腳分配與描述

M90E26采用SSOP28封裝，每個引腳都有其特定的功能。例如，Reset引腳用于復位芯片，DVDD和AVDD分別為數(shù)字和模擬部分提供電源，Vref引腳輸出參考電壓等。詳細的引腳描述可以參考數(shù)據(jù)手冊中的表格，這里就不一一贅述了。在實際應用中，正確連接和使用這些引腳是確保芯片正常工作的關鍵。

四、功能詳細描述

（一）動態(tài)計量范圍

在5000:1的動態(tài)范圍內(nèi)，有功電能計量精度為0.1%，無功電能計量精度為0.2%。具體的誤差數(shù)據(jù)可以參考數(shù)據(jù)手冊中的表格，不同的電流和功率因數(shù)條件下，誤差會有所不同。這一特性使得M90E26能夠在較寬的電流范圍內(nèi)準確計量電能。

（二）啟動和空載功率

啟動和空載功率閾值均可編程，相關寄存器包括PStartTh、PNolTh、QStartTh和QNolTh。當啟動功率小于對應20mA功率（功率因數(shù)或sinφ為1.0）時，M90E26將在配置啟動功率理論啟動時間的1.2倍內(nèi)啟動。同時，芯片具有空載狀態(tài)位，在有功或無功空載狀態(tài)下，不會輸出相應的脈沖。

（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），也可以通過能量寄存器讀取電能。能量寄存器包括正向（感性）、反向（容性）和絕對能量寄存器，每個寄存器在讀取后會被清零，分辨率為0.1CF。

（四）N線計量和防篡改

1. 計量模式和增益配置：通過MMD1和MMD0引腳可以配置計量模式，包括防篡改模式、L線模式、L + N模式和靈活模式。L線和N線電流采樣電路具有不同的增益配置，L線增益可以是1、4、8、16和24，N線增益可以是1、2和4，配置通過MMode寄存器（2BH）完成。
2. 防篡改模式：在防篡改模式下，可以設置L線和N線之間的功率差閾值，有16種選擇，默認值為3.125%。通過比較L線和N線的有功功率，自動切換計量線，以防止篡改。在低功率情況下，會采用特殊處理，確保L線和N線正常啟動。

（五）測量和過零

1. 測量功能：M90E26可以測量電壓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(shù)（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）等參數(shù)。除頻率外，其他測量的精度為0.5%，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，過零模式可以通過Zxcon[1:0]位（MMode，2BH）配置為正過零、負過零或全過零。過零信號在智能電表應用中可以方便地實現(xiàn)繼電器操作和電力線載波傳輸?shù)裙δ堋?/li>

（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_)）下進行計量校準后，M90E26的設計方法可以保證在整個動態(tài)范圍內(nèi)的精度。校準步驟包括在單位功率因數(shù)下校準增益，在0.5感性功率因數(shù)下校準相角補償。同時，芯片提供功率偏移補償功能，以改善計量性能。L線和N線需要依次校準，有功能量校準完成后，無功能量無需校準。
2. 測量校準：測量校準包括電壓rms和電流rms的增益校準，以及電壓rms、電流rms、平均有功功率和平均無功功率的偏移補償。芯片的設計方法可以保證頻率、相角和功率因數(shù)測量的自動校準。

（七）復位

M90E26具有三種復位方式：上電復位、硬件復位和軟件復位。上電復位在電源上電時啟動，硬件復位通過將復位引腳拉低實現(xiàn)，復位信號寬度應超過200μs，軟件復位通過向軟件復位寄存器（SoftReset，00H）寫入‘789AH’實現(xiàn)。復位后，所有寄存器將恢復到默認值。

五、接口

（一）SPI接口

SPI接口是一個全雙工、同步通道，有四線模式和三線模式。在四線模式下，使用CS、SCLK、SDI和SDO四個引腳；在三線模式下，使用SCLK、SDI和SDO三個引腳。數(shù)據(jù)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）存儲剛剛讀取或寫入的16位數(shù)據(jù)。

（二）UART接口

UART接口僅支持8位數(shù)據(jù)，無奇偶校驗功能。讀寫事務由6字節(jié)傳輸組成，主機始終發(fā)送第一個字節(jié)‘FEH’。M90E26在接收到主機命令后，如果校驗和正確，將在5ms內(nèi)將數(shù)據(jù)和/或校驗和字節(jié)發(fā)送回主機。UART波特率由主機確定，M90E26可以自動檢測，支持的波特率為2400和9600。

（三）WarnOut引腳

WarnOut引腳用于致命錯誤警告，在兩種情況下會發(fā)出警告：校驗和校準錯誤和電壓跌落。當出現(xiàn)這些情況時，WarnOut引腳和IRQ引腳會被置位，提醒用戶注意。

（四）與MCU隔離的低成本實現(xiàn)

當M90E26與MCU隔離時，可以通過低速光耦實現(xiàn)SPI/UART的讀寫操作，能量脈沖CFx可以通過讀取相應的能量寄存器進行累積，致命錯誤可以通過讀取CalErr[1:0]位（SysStatus，01H）獲取，IRQ中斷可以通過讀取SysStatus寄存器（01H）獲取，復位可以通過向軟件復位寄存器（SoftReset，00H）寫入‘789AH’實現(xiàn)。

六、寄存器

M90E26包含多種寄存器，包括狀態(tài)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。每個寄存器都有其特定的功能和地址，通過對這些寄存器的讀寫操作，可以實現(xiàn)對芯片的各種配置和控制。例如，通過設置CalStart寄存器可以啟動計量校準，通過讀取能量寄存器可以獲取電能數(shù)據(jù)等。

七、電氣規(guī)格

（一）精度和性能

在特定的測試條件下，M90E26的直流電源抑制比（PSRR）和交流電源抑制比（PSRR）均為±0.1%，有功能量誤差在5000:1的動態(tài)范圍內(nèi)為±0.1%，測量誤差為±0.5%。

（二）通道特性

采樣頻率為8 kHz，諧波計量帶寬為1.1 kHz，不同通道具有特定的輸入范圍和輸入阻抗，以及直流偏移。

（三）參考和時鐘

片上參考電壓為1.26 V，參考電壓溫度系數(shù)為±15 ±40 ppm/°C，晶體或外部時鐘頻率為8.192 MHz，精度為±100 ppm。

（四）接口特性

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

（五）脈沖寬度和ESD等特性

CFx脈沖寬度根據(jù)不同的條件進行調(diào)整，ESD方面，帶電設備模型（CDM）為500 V，人體模型（HBM）為2000 V，閂鎖電流為±100 mA，閂鎖電壓為4.95 V。

八、總結

Atmel M90E26是一款功能強大、性能優(yōu)異的單相電能計量IC。它具有高精度、多種計量模式、靈活的接口和豐富的寄存器配置等特點，能夠滿足不同應用場景的需求。在實際應用中，電子工程師需要根據(jù)具體的需求，合理選擇和配置芯片的各個參數(shù)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。同時，要注意芯片的電氣規(guī)格和接口要求，避免出現(xiàn)錯誤。大家在使用這款芯片的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)留言分享。