طراحی مقاوم علیه تداخل با قیمت مناسب برای کنتورهای برق دیجیتال: انجام موفقیت آمیز آزمون های ۴kV EFT و ۱۵kV ESD

I. مروری بر کلیات​

این راه‌حل طراحی شده است تا چالش‌های شدید مواجهه شده توسط سنج‌های قدرت دیجیتال سنتی در محیط‌های الکترومغناطیسی صنعتی پیچیده، به ویژه نقطه دردآور اصلی کمبود توانایی مقاومت در برابر تداخلات، را حل کند. از طریق مجموعه‌ای از طرح‌های نوآورانه کلیدی در مدارهای سخت‌افزاری، این راه‌حل به طور قابل توجهی توانایی سنج در تحمل پالس‌های ترانزیانت الکتریکی (EFT) و تخلیه الکتریکی آرام (ESD) را افزایش می‌دهد. همزمان، این راه‌حل ساختار سیستم را بهینه می‌کند و اهداف دوگانه بهبود قابلیت اطمینان و بهینه‌سازی هزینه را محقق می‌کند، بنابراین پایه داده‌ای پایدار و دقیق برای نظارت بر سیستم قدرت فراهم می‌کند.

​II. زمینه و اهداف​

​1. تحلیل مشکلات​

سنج‌های سنتی ضعف‌های طراحی دارند. رابط اتصال بین ماژول نمایش و برد کنترل اصلی غالباً بدون اقدامات موثر محافظت از سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) باقی می‌ماند. این موضوع منجر به عملکرد ضعیف در آزمون‌های عدم تأثیرپذیری می‌شود، که مقاومت EFT به طور قابل توجهی از نیازهای کاربرد صنعتی پایین‌تر است و عملکرد پایدار در محیط‌های توزیع واقعی را به طور جدی تحت تأثیر قرار می‌دهد.

​2. اهداف اصلی​

• ​بهبود عملکرد:​​ به طور قابل توجهی EMC سنج را بهبود بخشیده و اطمینان حاصل می‌کند که بتواند آزمون‌های EFT سطح چهار کیلوولت و آزمون‌های ESD سطح بالا را عبور کند.
• ​عملکرد پایدار:​​ عملکرد بلندمدت و بدون خطا را در محل‌های قدرت که پر از پالس‌های ترانزیانت و تداخلات الکترواستاتیک هستند، تضمین می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که جمع‌آوری و انتقال داده‌ها بدون وقفه باشد.
• ​بهینه‌سازی ساختار:​​ طراحی مدار را ساده می‌کند، تعداد قطعات خارجی را کاهش می‌دهد و هزینه‌های سخت‌افزاری را کنترل/کاهش می‌دهد در حالی که عملکرد را بهبود می‌بخشد.

​III. ساختار کلی سیستم​

سنج از یک طراحی مدولار با تمرکز بر یکships main control chip, featuring a clear structure and well-defined responsibilities. It mainly includes the following core units:

• ​Main Control Unit:​​ The "brain" of the system, responsible for data calculation, logic control, and system scheduling.
• ​Signal Acquisition Unit:​​ Responsible for acquiring and performing preliminary processing of raw three-phase voltage and current signals from the power grid.
• ​Power Management Unit:​​ Provides stable, isolated multi-channel working power for all functional modules.
• ​Human-Machine Interaction (HMI) Unit:​​ Includes the display control module for local parameter display.
• ​Data Communication Unit:​​ Provides an RS485 interface for data exchange with remote monitoring systems.
• ​Data Storage & Clock Unit:​​ Used for storing historical data and providing a precise time reference.
• ​Key Innovation: Dedicated Anti-interference Module:​​ A core aspect of this solution, adding protective modules for critical signal paths.

​IV. Key Technological Breakthroughs​

​1. Dedicated Anti-EFT Filter Circuit Design​

• ​Innovative Approach:​​ Precisely identified the communication lines between the display control module and the main control chip as the vulnerable point for EFT intrusion. Accordingly, we designed independent filtering channels for each communication signal line.
• ​Implementation:​​ A capacitor of a specific value is connected in parallel from each communication line to ground, forming a simple low-pass filter network. This capacitor effectively absorbs the high-frequency spike energy generated by EFT on the signal lines, thereby protecting the main control chip interface from interference.
• ​Result:​​ This extremely low-cost design elevates the meter's EFT immunity to 4 kV, resolving the shortcoming of traditional meters in this area.

​2. System-Level Anti-interference Optimization for Main Control​

• ​Clock Circuit Optimization:​​ Abandoned the traditional use of interference-prone high-frequency crystals, opting instead for a low-frequency crystal as the main clock source. Low-frequency clock signals inherently possess stronger anti-interference capability, reducing the probability of system-level impact.
• ​System Integration Simplification:​​ Fully leveraged the high integration of modern main control chips. The internal integration of the Analog-to-Digital Converter (ADC) and oscillator compensation capacitors eliminates the need for external discrete components.
• ​Comprehensive Benefits:​​
• The optimized clock circuit greatly enhances the meter's ability to resist external electrostatic interference, allowing it to easily pass the highest level ESD tests.
• The highly integrated design simplifies PCB layout, reduces component count, thereby not only lowering material costs but also improving production efficiency and overall reliability.

​V. Solution Advantages & Value​

​1. Exceptional Reliability​

• Capable of stable operation in EFT interference environments exceeding 4 kV and ESD environments exceeding 15 kV, meeting the most stringent industrial standards.
• The optimized hardware foundation ensures timing accuracy in data acquisition and long-term stability of measurements.

​2. Significant Economical Efficiency​

• Directly reduces material procurement costs by reducing the number of external components.
• The simplified design improves production first-pass yield and reduces post-sales maintenance costs, providing customers with a life-cycle cost advantage.

​3. Excellent Manufacturability​

• The anti-interference measures employed use standard, mature, general-purpose components. The design is simple and reliable, making it highly suitable for large-scale mass production, ensuring product consistency and high quality.