Atmel M90E26：?jiǎn)蜗喔咝阅軐捔砍?a target="_blank">電能計(jì)量IC的卓越之選

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

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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(shè)計(jì)的電能計(jì)量芯片。它采用了先進(jìn)的ADC和DSP技術(shù)，能夠在電網(wǎng)和環(huán)境條件變化的情況下確保芯片的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于需要測(cè)量電壓、電流等參數(shù)的電力儀器中。

二、主要特性

（一）計(jì)量特性

1. 高精度計(jì)量：在5000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有功電能計(jì)量精度可達(dá)0.1%，無功電能計(jì)量精度可達(dá)0.2%。芯片的片上參考電壓溫度系數(shù)典型值為15 ppm/℃，確保了在不同溫度環(huán)境下的計(jì)量準(zhǔn)確性。
2. 單點(diǎn)校準(zhǔn)：有功電能在5000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)只需進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)，而無功電能無需校準(zhǔn)，大大簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)過程。
3. 電能常數(shù)加倍：在低電流情況下，電能表常數(shù)加倍，可節(jié)省驗(yàn)證時(shí)間，提高效率。
4. 電氣參數(shù)測(cè)量：對(duì)Vrms、Irms、平均有功/無功/視在功率、頻率、功率因數(shù)和相角等電氣參數(shù)的測(cè)量，基準(zhǔn)誤差小于±0.5%，為電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和分析提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
5. 獨(dú)立能量寄存器：具有正向/反向有功/無功能量的獨(dú)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(yīng)不同的應(yīng)用需求。
6. 可編程閾值：可編程的啟動(dòng)和無負(fù)載功率閾值，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活調(diào)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(jìn)行電流采樣，通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)或電壓互感器（PT）進(jìn)行電壓采樣。
8. 計(jì)量模式靈活：可編程的L線和N線計(jì)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(tǒng)）和靈活模式（通過寄存器配置），并可設(shè)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(nèi)可保證計(jì)量精度。數(shù)字輸入與5V兼容。
2. 復(fù)位功能：內(nèi)置上電復(fù)位遲滯功能，確保芯片在電源上電時(shí)能穩(wěn)定啟動(dòng)。
3. 接口選擇：可選UART接口和SPI接口（四線SPI接口或簡(jiǎn)化的三線SPI接口，所有寄存器操作固定為24個(gè)周期），方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信。
4. 診斷與中斷：具有參數(shù)診斷功能和可編程的IRQ中斷信號(hào)和WarnOut信號(hào)的中斷輸出，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。
5. 電壓凹陷檢測(cè)：可編程的電壓凹陷檢測(cè)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?shù)葢?yīng)用。
6. 輸入范圍：電壓通道（增益為'1'時(shí)）輸入范圍為120μVrms~600mVrms；L線電流通道（增益為'24'時(shí)）輸入范圍為5μVrms~25mVrms；N線電流通道（增益為'1'時(shí)）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(bǔ)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(zhǔn)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(yīng)各種惡劣環(huán)境。

三、功能詳解

（一）動(dòng)態(tài)計(jì)量范圍

在5000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有功電能計(jì)量精度為0.1%，無功電能計(jì)量精度為0.2%。具體的計(jì)量誤差可參考文檔中的表2和表3，不同電流和功率因數(shù)下的誤差都有明確的規(guī)定。

（二）啟動(dòng)和無負(fù)載功率

啟動(dòng)和無負(fù)載功率閾值對(duì)于有功和無功功率都是可編程的，相關(guān)寄存器包括PStartTh（27H）、PNolTh（28H）、QStartTh（29H）和QNolTh（2AH）。當(dāng)啟動(dòng)功率小于功率因數(shù)或sinφ為1.0時(shí)對(duì)應(yīng)20mA的功率時(shí)，M90E26將在配置啟動(dòng)功率理論啟動(dòng)時(shí)間的1.2倍內(nèi)啟動(dòng)。此外，芯片具有無負(fù)載狀態(tài)位，在有功無負(fù)載狀態(tài)下不輸出有功脈沖（CF1），在無功無負(fù)載狀態(tài)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(tǒng)應(yīng)用中通常通過累加CFx脈沖來累積電能。同時(shí)，芯片還提供了能量寄存器，包括正向（感性）、反向（容性）和絕對(duì)能量寄存器，用于有功和無功電能的記錄。每個(gè)能量寄存器在讀取后會(huì)被清除，分辨率為0.1CF，即一個(gè)LSB代表0.1個(gè)能量脈沖。

（四）N線計(jì)量和防篡改

1. 計(jì)量模式和L/N線電流采樣增益配置：M90E26具有兩個(gè)電流采樣電路，通過MMD1和MMD0引腳配置計(jì)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(jìn)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(jìn)行配置，默認(rèn)值為3.125%。該閾值適用于有功電能，無功電能的計(jì)量線跟隨有功電能。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，計(jì)量線會(huì)自動(dòng)切換，以實(shí)現(xiàn)閾值附近的滯后效應(yīng)。在低功率情況下，為確保L線和N線正常啟動(dòng)，會(huì)選擇功率較高的線作為計(jì)量線。

（五）測(cè)量和過零

1. 測(cè)量功能：M90E26可測(cè)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）。除頻率外，其他測(cè)量值的基準(zhǔn)誤差均在0.5%以內(nèi)，頻率精度為0.01Hz。
2. 過零功能：ZX引腳在采樣電壓過零時(shí)被置位，過零模式可通過Zxcon[1:0]位（MMode, 2BH）配置為正過零、負(fù)過零或全過零。過零信號(hào)可方便智能電表中的繼電器操作和電力線載波傳輸?shù)炔僮鳌?/li>

（六）校準(zhǔn)

校準(zhǔn)包括計(jì)量校準(zhǔn)和測(cè)量校準(zhǔn)。

1. 計(jì)量校準(zhǔn)：在特定電流（基本電流(I_)）下進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)后，M90E26的設(shè)計(jì)方法可確保在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的精度。校準(zhǔn)步驟包括在單位功率因數(shù)下校準(zhǔn)增益，在0.5感性功率因數(shù)下校準(zhǔn)相角補(bǔ)償。此外，芯片還提供了功率偏移補(bǔ)償功能，以提高計(jì)量性能，特別是在采用分流電阻作為L(zhǎng)線電流傳感器時(shí)，可減少電路干擾對(duì)計(jì)量的影響。L線和N線需要依次進(jìn)行校準(zhǔn)，無功電能在有功電能校準(zhǔn)完成后無需校準(zhǔn)。
2. 測(cè)量校準(zhǔn)：測(cè)量校準(zhǔn)包括電壓rms和電流rms的增益校準(zhǔn)，同時(shí)考慮到外部組件可能導(dǎo)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(bǔ)償。對(duì)于頻率、相角和功率因數(shù)的測(cè)量，芯片的設(shè)計(jì)方法可確保自動(dòng)校準(zhǔn)。

（七）復(fù)位

M90E26具有片上電源監(jiān)控電路和內(nèi)置遲滯功能，僅在特定電壓范圍內(nèi)工作。芯片有三種復(fù)位方式：上電復(fù)位、硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。復(fù)位后，所有寄存器將恢復(fù)到默認(rèn)值。

1. 上電復(fù)位：在電源上電時(shí)啟動(dòng)。
2. 硬件復(fù)位：當(dāng)復(fù)位引腳拉低時(shí)啟動(dòng)，復(fù)位信號(hào)寬度應(yīng)超過200μs。
3. 軟件復(fù)位：向軟件復(fù)位寄存器（SoftReset, 00H）寫入‘789AH’時(shí)啟動(dòng)。

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(gè)引腳。讀操作時(shí)，SDI上的第一個(gè)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(shù)據(jù)，一個(gè)完整的讀操作包含24個(gè)周期。寫操作時(shí)，SDI上先置低，接著是7位寄存器地址，然后將16位數(shù)據(jù)移入芯片，同樣包含24個(gè)周期。
2. 三線模式：CS始終處于低電平，當(dāng)SCLK連續(xù)低電平至少400μs時(shí)觸發(fā)讀寫操作，后續(xù)操作與四線模式類似。
3. 超時(shí)和保護(hù)：在四線和三線模式下，如果SCLK在6ms內(nèi)不翻轉(zhuǎn)，則會(huì)發(fā)生超時(shí)，讀寫操作將被中止。在四線模式下，如果CS拉低時(shí)有超過24個(gè)SCLK周期，寫操作將被禁止，而讀操作可通過前24個(gè)SCLK周期完成，但讀取結(jié)果可能不是預(yù)期的。對(duì)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(shù)據(jù)，無奇偶校驗(yàn)功能。讀寫事務(wù)由6個(gè)字節(jié)的傳輸組成，主機(jī)始終從發(fā)送第一個(gè)字節(jié)‘FEH’開始。第二個(gè)字節(jié)為RW_ADDRESS，包含R/W位（bit7）和7位地址位（bit6 - 0）。M90E26在收到主機(jī)命令后，如果校驗(yàn)和正確，將在5ms內(nèi)將數(shù)據(jù)和/或校驗(yàn)和字節(jié)發(fā)送回主機(jī)。主機(jī)字節(jié)間隔（兩個(gè)連續(xù)字節(jié)之間的空閑時(shí)間）大于20ms時(shí)，M90E26將使當(dāng)前事務(wù)超時(shí)。UART波特率由主機(jī)確定，M90E26可自動(dòng)檢測(cè)，支持的波特率為2400和9600。

（三）WarnOut引腳用于致命錯(cuò)誤警告

當(dāng)出現(xiàn)校驗(yàn)和校準(zhǔn)錯(cuò)誤或電壓凹陷時(shí)，WarnOut引腳會(huì)發(fā)出致命錯(cuò)誤警告。

1. 校準(zhǔn)錯(cuò)誤：M90E26會(huì)定期對(duì)重要參數(shù)（如校準(zhǔn)參數(shù)和計(jì)量配置）進(jìn)行診斷。當(dāng)校驗(yàn)和不正確時(shí)，CalErr[1:0]位（SysStatus, 01H）被置位，WarnOut引腳和IRQ引腳被置高。此時(shí)，計(jì)量部分停止工作，以防止在通電或參數(shù)不正確時(shí)產(chǎn)生大量脈沖。
2. 電壓凹陷：當(dāng)電壓從任何過零點(diǎn)開始連續(xù)低于電壓凹陷閾值一個(gè)周期時(shí)，檢測(cè)到電壓凹陷。電壓閾值由SagTh寄存器（03H）配置。當(dāng)電壓凹陷發(fā)生時(shí)，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(shí)現(xiàn)

當(dāng)M90E26與MCU隔離時(shí)，可通過以下方式實(shí)現(xiàn)低成本功能：

1. SPI/UART：MCU可通過低速光耦（如PS2501）對(duì)M90E26進(jìn)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(yīng)的能量寄存器來累積電能，CFx也可連接到光耦，通過CFx點(diǎn)亮能量脈沖指示燈。
3. 致命錯(cuò)誤WarnOut：可通過讀取CalErr[1:0]位（SysStatus, 01H）獲取致命錯(cuò)誤信息。
4. IRQ：可通過讀取SysStatus寄存器（01H）獲取IRQ中斷信息。
5. 復(fù)位：向軟件復(fù)位寄存器（SoftReset, 00H）寫入‘789AH’可對(duì)M90E26進(jìn)行復(fù)位。

五、寄存器

M90E26的寄存器涵蓋了狀態(tài)和特殊寄存器、計(jì)量校準(zhǔn)和配置寄存器、測(cè)量校準(zhǔn)寄存器、能量寄存器和測(cè)量寄存器等多個(gè)類別，每個(gè)寄存器都有其特定的功能和用途。通過對(duì)這些寄存器的配置和操作，可以實(shí)現(xiàn)芯片的各種功能和特性。

六、電氣規(guī)格

文檔詳細(xì)列出了M90E26的電氣規(guī)格，包括精度、通道特性、模擬輸入、參考電壓、時(shí)鐘、SPI/UART接口、脈沖寬度、ESD、閂鎖效應(yīng)、工作條件和直流特性等方面的參數(shù)。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)，確保芯片在不同的工作條件下都能穩(wěn)定可靠地工作。

七、總結(jié)

Atmel M90E26以其高精度的計(jì)量性能、豐富的功能特性和靈活的接口配置，為單相電能計(jì)量應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無論是在智能電表、電力監(jiān)測(cè)設(shè)備還是其他需要電能計(jì)量的領(lǐng)域，M90E26都能發(fā)揮出其卓越的性能。作為電子工程師，在選擇電能計(jì)量芯片時(shí)，M90E26無疑是一個(gè)值得考慮的選擇。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。