Hvordan forbedre pålideligheden af strømregningsystemer

Med den hurtige udvikling af elektronikindustrien bliver forskellige instrumenter og målere bredt anvendt i industriel kontrol og alle aspekter af det sociale liv. Samtidig bliver kravene til instrumentets pålidelighed stadig højere, og strømregulatører er ingen undtagelse. Krav til pålidelighed for strømregulatører er specificeret i tekniske standarder for smarte regulatører.

Disse standarder fastsætter, at den gennemsnitlige levetid for strømregulatører skal være mindst ti år, hvilket gør pålidelighedsdesign under udviklingsprocessen særdeles vigtigt. Sandsynligheden for at udføre de påkrævede funktioner under specifikke betingelser og inden for en given tid kaldes Mean Time Between Failures (MTBF), også kendt som gennemsnitlig fejlinterval. MTBF er et almindeligt mål for pålidelighed. Formålet med pålidelighedsdesign for strømregulatører er at øge produktets MTBF og sikre normal drift.

1.Hardware Pålidelighedsdesign

Støjundertrykkelsesdesign for strømforsyning i strømregulatører

Ifølge analyse af ingeniørstatistikker indgår 70% af støj i strømregulatørsystemer gennem strømforsyningen. Derfor er forbedring af kvaliteten af strømforsyningen af stor betydning for systemets pålidelige drift. Da systemstrømmen typisk kommer fra nettet, fokuserer designet mod støjundertrykkelse for strømforsyningen primært på filtrering ved inputporten og undertrykkelse af kortvarig støj.

2. Jorde-design for strømregulatører

Designet af jordesystemet har direkte indflydelse på hele produktets evne til at modstå støj. Et godt design kan blokere eksterne miljøstøj og effektivt undertrykke internt koplettede støj. Overvejelse af følgende to aspekter kan forbedre systemets pålidelighed: 

Digital Jord og Analog Jord På grund af de skarpe kanter af digitale signaler viser strømme i digitale kredsløb pulserende ændringer. Derfor bør analog jord og digital jord designes separat i strømregulatørsystemer, kun forbundet ved et enkelt punkt. Analog og digitale kredsløb på kredsløbskortet bør forbinder sig til deres respektive "jorder". Dette forebygger effektivt, at pulserende jordstrøm fra det digitale kredsløb koppeler sig til det analoge kredsløb via den delte jordimpedans, danner kortvarig støj. Når der findes højfrekvente store signaler i systemet, bliver denne støj mere betydningsfuld.

Enkelt-punkt og Flere-punkts Jorde I lavfrekvenssystemer kombineres generelt parallelt enkelt-punkt jorde med serie enkelt-punkt jorde for at forbedre ydeevnen. Parallelt enkelt-punkt jorde refererer til at forbinde flere moduljorder sammen på ét sted, hvor hver moduls jordpotentiale relaterer sig til dens egen strøm og resistens. Dets fordel er mangel på kopleringsstøj fra den fælles jordledningsresistens; ulemperne er overdreven brug af jordledninger.

Serie enkelt-punkt jorde betyder, at flere moduler deler samme jordledningssegment. På grund af den ekvivalente resistens i jordledningen opstår spændingsfald, så forbindelsespunkter for forskellige moduler har forskellige potentieller i forhold til jorden. Strømændringer i ethvert modul påvirker jordpotentialet, ændrer kredsløbsoutput og forårsager kopleringsstøj fra den fælles jordledningsresistens. Denne metode har simpel ledning. Flerpunkts jorde anvendes ofte i højfrekvenssystemer, hvor hver moduls jordledning forbinder sig til en jordbusbar så tæt som muligt. Dens fordele inkluderer korte jordledninger, lav impedans og eliminering af støj, der skyldes den fælles jordledningsresistens.

3.Isolationsdesign for strømregulatører

Et primært mål med isolationsdesign er at adskille støjkilder fra følsomme kredsløb. Karakteren ved isolationsdesign er, at strømregulatøren opretholder signal kommunikation med sin driftsmiljø uden direkte elektrisk interaktion. Hovedimplementeringsmetoder inkluderer transformerisolering, opto-isolering, relæisolering, isolerende forstærkere og layoutisolering. 

• Transformerisolering Pulstransformatorer, der har få vindinger, lille fordelt kapacitance (kun få pikofarad) og primære/sekundære vindinger, der er vindet på modsatte sider af kernen, kan fungere som isolationskomponenter for puls-signaler, der opnår digital signalisolering.

• Opto-isolering Tilføjelse af en optokoppler kan undertrykke spike-pulser og diverse støjstyringer. Ved hjælp af opto-isolering sikres, at der ikke er nogen elektrisk interaktion mellem hovedcomputersystemet og strømregulatørens kommunikationsport, hvilket forbedrer systemets støjmodstandsdygtighed. Optokoppler kan isolere digitale signaler, men egnede til analoge signaler. Almindelige metoder til at isolere analoge signaler inkluderer: A. Spænding-til-frekvens konvertering, fulgt af opto-isolering, hvilket resulterer i komplekse kredsløb; B. Differentialforstærkere, som giver lavere isolationspåstand; C. Isolerende forstærkere, der fungerer godt, men er dyre. 

• Relæisolering Da der ikke er nogen elektrisk forbindelse mellem relæets spole og kontakter, kan spolen modtage signaler, mens kontakterne transmitterer dem, løser dette problemet med stærke og svage elektriske signalers interaktion og opnår støjisolering.

• Layoutisolering Opnåelse af isolering gennem PCB-layout, hovedsagelig adskillelse af stærke og svage elektriske kredsløb.

4. Printed Circuit Board (PCB) Støjmodstandsdesign for strømregulatører

Printede kredsløbskort fungerer som transportør for kredsløbskomponenter og leverer elektriske forbindelser mellem dem. Kvaliteten af PCB-designet har direkte indflydelse på systemets støjmodstandsdygtighed. Generelle principper, der følges i PCB-design, inkluderer:

• Placér kristalklynger så tæt som muligt på centralprocessor (CPU)-pins. Jorder og sikker deres metalbeholder, og isoler uret området med en jordledning—denne metode forebygger mange vanskelige problemer;

• Brug lavere frekvens kristaller til CPU'en og hold digitale kredsløb så langsomme som muligt, hvis systemets ydeevne krav er opfyldt;

• Ubrugte CPU-input/output-porter bør ikke være flydende; de bør forbinder sig til systemstrøm eller jord, og det samme gælder for andre chips;

• Minimer længden af spor mellem højfrekvenskomponenter. Hold input og output funktionskomponenter langt fra hinanden, og placér ikke støjfølsomme komponenter for tæt på hinanden;

• Undgå strømløkker i lavfrekvens og svagt-signal kredsløb. Hvis det er uundgåeligt, minimér løkkearealet for at reducere induceret støj;

• Undgå 90-graders vendepunkter i systemledning for at forhindre højfrekvensstøj emission;

• Input og output linjer i systemet bør undgå at løbe parallel. Tilføj en jordledning mellem to ledere for effektivt at forhindre reaktiv koppeling.

5. Software Pålidelighedsdesign

5.1 Digital filtreringsdesign for strømregulatører 

I øjeblikket anvendes forskellige målinger IC'er bredt i strømregulatører. Centralprocessor kommunikerer med disse målingschips via Serial Peripheral Interface (SPI) eller Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) for at få parametre for strømsystemet. Hvis busen bliver støjet eller målingschippet fungerer upassende, vil centralprocessor modtage forkert data.

Derfor er det kritisk vigtigt at integrere softwarefiltrering. For almindelige strømparametre kan gennemsnitsmetoden anvendes: indsamle fem til seks datapunkter, fjerne maksimum og minimum værdier, og derefter beregne gennemsnittet. For energidata estimeres dynamisk område inden for en enhed tid baseret på reguleringsmaskinens nominerede driftsmiljø; hvis abnormale energidata optræder, kan softwaren forkaste datamængden. Andre metoder inkluderer medianfiltrering, aritmetisk gennemsnit og førsteordens lavpassfilter. Praksis har bevist, at brug af softwarefiltrering maksimerer pålideligheden af parameterlæsninger.

5.2 Data redundansdesign for strømregulatører

For at forbedre systemets pålidelighed kan systemets indstillingsparametre og kalibreringsparametre anvende fler-backup designs. Hvis en sæt data bliver korrupt, kan en anden backup-sæt aktiveres. For at sikre datasikkerhed og øge sandsynligheden for dataoverlevelse under fejlhandlinger, bør flere datasæt gemmes på spredte steder.

5.3 Data verifikation og operation redundansdesign for strømregulatører

Når centralprocessor skriver indstillings- eller kalibreringsparametre ind i hukommelsen, kan støj forårsage, at forkert data skrives, men processor kan ikke bestemme korrekthed af skrevne data. For at sikre korrekt data skrivning, udfører software design en "checksum" på data, der skal skrives, og gemmer checksum sammen med data. Efter hver skrivning udføres en læsning, og checksum af læste data sammenlignes med den gemte checksum. Hvis de ikke matcher, gentages skrivning, indtil data skrives korrekt. Hvis genprøvegrænsen overskrides, vises en skrivefejl.