طراحی مقاوم علیه تداخل با هزینه کم برای شمارنده‌های قدرت دیجیتال: عبور از آزمون‌های ۴kV EFT و ۱۵kV ESD

I. مروری بر مسئله​

این راه‌حل برای حل چالش‌های شدیدی که مترهای دیجیتال سنتی در محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده صنعتی مواجه هستند، به ویژه نقص اساسی توانایی مقاومت در برابر تداخلات طراحی شده است. از طریق مجموعه‌ای از طراحی‌های نوآورانه کلیدی در مدارهای سخت‌افزاری، این راه‌حل قابلیت مقاومت متر در برابر تپش‌های الکتریکی سریع (EFT) و تخلیه الکتریکی ایستاتیک (ESD) را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. همزمان، ساختار سیستم را بهینه می‌کند و اهداف دوگانه بهبود قابلیت اطمینان و بهینه‌سازی هزینه را محقق می‌کند، بنابراین پایه داده‌های پایدار و دقیقی برای نظارت بر سیستم‌های برق فراهم می‌کند.

​II. زمینه و اهداف​

​1. تحلیل مشکل​

مترهای سنتی ضعف‌های طراحی دارند. رابط اتصال بین ماژول نمایش و برد کنترل اصلی غالباً از تدابیر مؤثر حفاظت از سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) محروم است. این وضعیت منجر به عملکرد ضعیف در آزمون‌های ایمنی می‌شود، با مقاومت EFT که بسیار پایین‌تر از نیازهای کاربرد صنعتی است و عملکرد پایدار را در محیط‌های توزیع واقعی به طور جدی تحت تأثیر قرار می‌دهد.

​2. اهداف اصلی​

• ​بهبود عملکرد:​​ به طور قابل توجهی EMC متر را بهبود بخشد و اطمینان حاصل کند که می‌تواند آزمون‌های EFT سطح ۴ کیلوولت و آزمون‌های ESD بالا را با موفقیت عبور دهد.
• ​عملکرد پایدار:​​ اطمینان حاصل کند که متر به طور بلندمدت و بدون خطا در محل‌های توزیع برق که پر از پالس‌های گذرا و تداخلات الکترواستاتیکی هستند، عملکرد پایدار دارد و ارسال و دریافت داده‌ها بدون وقفه انجام می‌شود.
• ​بهینه‌سازی ساختار:​​ طراحی مدار را ساده‌سازی کند، تعداد مولفه‌های خارجی را کاهش دهد و هزینه‌های سخت‌افزاری را کنترل/کاهش دهد در حالی که عملکرد را بهبود می‌بخشد.

​III. معماری کلی سیستم​

متر از طراحی ماژولی متمرکز بر یک چیپ کنترل اصلی استفاده می‌کند که دارای ساختار واضح و وظایف خاص است. این متر شامل واحد‌های اصلی زیر است:

• ​واحد کنترل اصلی:​​ "مخ" سیستم، مسئول محاسبات داده، کنترل منطقی و زمان‌بندی سیستم.
• ​واحد جمع‌آوری سیگنال:​​ مسئول جمع‌آوری و پردازش اولیه سیگنال‌های ولتاژ و جریان سه‌فاز از شبکه برق.
• ​واحد مدیریت توان:​​ توان کاری پایدار و جداگانه چند کاناله برای تمام ماژول‌های عملکردی فراهم می‌کند.
• ​واحد تعامل انسان-ماشین (HMI):​​ شامل ماژول کنترل نمایش برای نمایش پارامترهای محلی.
• ​واحد ارتباط داده:​​ رابط RS485 برای تبادل داده با سیستم‌های نظارتی دوردست فراهم می‌کند.
• ​واحد ذخیره‌سازی داده و ساعت:​​ برای ذخیره داده‌های تاریخی و ارائه مرجع دقیق زمان استفاده می‌شود.
• ​نوآوری کلیدی: ماژول اختصاصی مقاومت در برابر تداخلات:​​ جنبه اصلی این راه‌حل، افزودن ماژول‌های محافظ برای مسیرهای سیگنال مهم.

​IV. پیشرفت‌های فنی کلیدی​

​1. طراحی مدار فیلتر اختصاصی ضد EFT​

• ​رویکرد نوآورانه:​​ خطوط ارتباطی بین ماژول کنترل نمایش و چیپ کنترل اصلی را به عنوان نقطه آسیب‌پذیر در برابر تهاجم EFT شناسایی کرد. بر این اساس، کانال‌های فیلتری مستقل برای هر خط سیگنال ارتباطی طراحی شد.
• ​اجرایی‌سازی:​​ یک خازن با مقدار خاص از هر خط ارتباطی به زمین متصل شد و یک شبکه فیلتر پایین‌گذر ساده را تشکیل داد. این خازن انرژی پالس‌های با فرکانس بالا که توسط EFT روی خطوط سیگنال تولید می‌شود را به طور موثر جذب می‌کند و از تداخل در رابط چیپ کنترل اصلی محافظت می‌کند.
• ​نتیجه:​​ این طراحی با هزینه بسیار پایین مقاومت EFT متر را به ۴ کیلوولت افزایش می‌دهد و نقص مترهای سنتی در این زمینه را حل می‌کند.

​2. بهینه‌سازی سطح سیستمی ضد تداخل برای کنترل اصلی​

• ​بهینه‌سازی مدار ساعت:​​ استفاده از بلورهای با فرکانس بالا که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گرفت را رها کرد و به جای آن از یک بلور با فرکانس پایین به عنوان منبع ساعت اصلی استفاده کرد. سیگنال‌های ساعت با فرکانس پایین به طور ذاتی توانایی مقاومت در برابر تداخلات الکترواستاتیکی قوی‌تری دارند و احتمال تأثیر سطح سیستمی را کاهش می‌دهند.
• ​ساده‌سازی یکپارچه‌سازی سیستم:​​ به طور کامل از یکپارچه‌سازی بالای چیپ‌های کنترل اصلی مدرن استفاده کرد. یکپارچه‌سازی داخلی تبدیل‌کننده آنالوگ به دیجیتال (ADC) و خازن‌های جبران‌کننده اسیلاتور نیاز به مولفه‌های گسسته خارجی را حذف می‌کند.
• ​مزایای کلی:​​
• مدار ساعت بهینه شده توانایی مقاومت متر در برابر تداخلات الکترواستاتیکی خارجی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و به او اجازه می‌دهد تا به راحتی آزمون‌های ESD بالاترین سطح را عبور دهد.
• طراحی یکپارچه شده ساده‌سازی می‌کند Layout PCB، تعداد مولفه‌ها را کاهش می‌دهد و بنابراین هزینه مواد را کاهش می‌دهد و همچنین بهبود می‌بخشد کارایی تولید و قابلیت اطمینان کلی.

​V. مزایای راه‌حل و ارزش آن​

​1. قابلیت اطمینان استثنایی​

• قابلیت عملکرد پایدار در محیط‌های تداخل EFT بیش از ۴ کیلوولت و محیط‌های ESD بیش از ۱۵ کیلوولت، که استانداردهای صنعتی بسیار سخت را برآورده می‌کند.
• پایه سخت‌افزاری بهینه شده دقت زمان‌بندی در جمع‌آوری داده و ثبات طولانی‌مدت اندازه‌گیری‌ها را تضمین می‌کند.

​2. کارایی اقتصادی قابل توجه​

• به طور مستقیم هزینه خرید مواد را با کاهش تعداد مولفه‌های خارجی کاهش می‌دهد.
• طراحی ساده‌شده کارایی تولید اولین بار را بهبود می‌بخشد و هزینه‌های نگهداری پس از فروش را کاهش می‌دهد و به مشتریان مزیت هزینه‌های چرخه حیات را ارائه می‌دهد.

​3. تولیدپذیری بسیار خوب​

• تدابیر ضد تداخل از مولفه‌های استاندارد، رسیده و عمومی استفاده می‌کنند. طراحی ساده و قابل اعتماد است و برای تولید انبوه بزرگ مقیاس بسیار مناسب است و یکسانی و کیفیت بالای محصول را تضمین می‌کند.