Проектиране на цифров измервател на енергия с имунитет до 15кВ ESD и опростена схема с висока стабилност

 1. Обзора на решението​

Това решение има за цел да предостави високопроизводителен, високонадежден дизайн на цифров електроизмервател. Сърцевината на решениято се намира в иновативната конструкция на главния часовников цircuit за основния контролен чип, която ефективно разрешава вродените слабости на традиционните цифрови електроизмерватели по отношение на устойчивостта срещу електростатична интерференция (ESD). Измервателят може стабилно да премине 15kV тест за не-контактен електростатичен разряд, а също така притежава предимства като опростена конструкция на циркуита и висока стабилност на часовника. Той е подходящ за индустриални сценарии за мониторинг на енергия, изискващи строга надеждност и стабилност.

​2. Болезнени точки на индустрията & техническа рамка​

​2.1 Болезнена точка на индустрията: Слаба устойчивост срещу електростатична интерференция​

В индустриални условия, електростатическият разряд (ESD) е водеща причина за отказ на електронното оборудване. Традиционните цифрови електроизмерватели са особено чувствителни към системни рестарти или функционални аномалии при стандартни 15kV тестове за не-контактен ESD, не отговарящи на изискванията на приложенията с висока надеждност.

​2.2 Техническа рамка: Анализ на съществуващите решения​

Предизвикателството за устойчивост срещу ESD в съществуващите цифрови електроизмерватели в основата си произлиза от конструкцията на основния часовников сигнал:

• ​Решение 1: Пряко свързване на високочестотен кварцов осцилатор:​​ Основният контролен чип е пряко свързан с 25MHz високочестотен кварцов осцилатор, изискващ два външни компенсиращи кондензатора. Въпреки простата конструкция, този дизайн страда от факта, че I/O портовете (конструирани за ниско потребителско напрежение) обикновено имат слаба устойчивост към ESD. Високочестотният сигнал е подвержен на интерференция при ESD пулси, което може да доведе до системен крах.
• ​Решение 2: Нискочестотен кварцов осцилатор с повишаване на честотата:​​ Използва се нискочестотен кварцов осцилатор, който се повишава до висока честота чрез вграден Фазово-закачащ се контур (PLL). Този подход предлагa някои подобрения срещу директна интерференция, но не решава фундаментално проблема с електростатично съпазване, резултиращо в по-малко от оптимална устойчивост срещу интерференция.

И двете традиционни решения трудно гарантират стабилна работа на измервателя в сурови електромагнитни околни среди.

​3. Обща структура и функции на измервателя​

Измервателят в това решение използва модуларен дизайн, състоящ се от шест основни модула, питащи се от единифициран модул за питане. Структурата е ясна, а функциите са добре дефинирани. Свързването и функциите на всеки модул към основния контролен чип са следните:

​4. Основни технически предимства​

​4.1 Висока устойчивост срещу електростатична интерференция​

Най-критичното предимство на това решение е иновативната конструкция на основния часовников цircuit. Отказвайки се от склонената към интерференция конструкция с пряко свързване на високочестотен кварцов осцилатор, основният контролен чип използва 32768Hz ниско-частотен кварц като основен входен сигнал. Тъй като ниско-частотните сигнали имат ниска външна радиация и са по-малко склонни към съпазване на външни високочестотни шумове (като ESD пулси), устойчивостта срещу интерференция е значително подобряна на източника. Този дизайн успешно решава болезнената точка на традиционните измерватели, позволявайки стабилно преминаване на 15kV тест за не-контактен ESD и гарантирайки надеждна работа в комплексни индустриални условия.

​4.2 Опростена конструкция на цircuit​

Избраният основен контролен чип (MSP430F5438A) има вграден компенсиращ кондензатор за неговия вътрешен ниско-частотен осцилаторен цircuit. Този дизайн елиминира необходимостта от два външни компенсиращи кондензатора, изисквани в традиционните конструкции с високочестотен кварцов осцилатор, опростявайки разположението на PCB, намалявайки броя на компонентите и материалните разходи, намалявайки сложността на производственото сваряване и подобрявайки последователността и надеждността на продукта.

​4.3 По-висока стабилност на часовника​

• ​Стабилен софтуерен часовник на системата:​​ 32768Hz кварц, след делене на честотата, може да генерира точен 1Hz секунден часов сигнал, служещ като основа за софтуерния часовник на системата. Неговата стабилност и точност са далеч по-високи от часовниците, генерирани чрез софтуерна симулация или високо делене на честотата.
• ​Стабилен часовник за измерване:​​ Часовникът за ADC пробиране, използван за измерване на енергията в измервателя, също произлиза от този стабилен ниско-частотен часовник, гарантирайки точността на пробирането и изчисленията на напрежението, тока, мощността и други електрически параметри. Това предоставя данните за висококачествено управление на енергията.

​5. Принцип на работа на системата​

Процесът на работа на измервателя е следният:

1. ​Включване:​​ Модулът за питане получава AC вход чрез AC-DC вспомогателно питане, преобразува и изолира то в 5V, 3.3V и изолирано 5V напрежение. Тези напрежения снабдяват модула за събиране на сигнали, основната контролна система (включително реален час, памет, контрол на дисплея) и коммуникационния интерфейс, като всички модули се подготвят за работа.
2. ​Събиране на сигнали:​​ Модулът за събиране на сигнали непрекъснато събира сигнали за напрежение и ток от трифазната електрическа мрежа. След обработка (например, делене, трансформация на тока, усилване от операционен усилвател, преобразуване на ниво), той изпраща аналогови сигнали, представляващи параметри на мрежата, към основния контролен чип.
3. ​Обработка на сигнали:​​ Основният контролен чип първо преобразува получените аналогови сигнали в цифрови сигнали чрез интегриран AD преобразувател. След това, в комбинация с отметка от реалния час, извършва изчисления и анализ на цифровите сигнали, за да извлече необходимите електрически параметри (например, RMS напрежение/ток, активна/реактивна мощност, фактор на мощност, честота).
4. ​Изход на данни & взаимодействие:​​
• ​Съхранение:​​ Обработените данни се записват във вътрешната информационна памет за извличане на исторически данни и анализ на натоварването.
• ​Показване:​​ Данните се изпращат същевременно към модула за контрол на дисплея за реално време актуализация на LCD дисплея.
• ​Комуникация:​​ Данните се качват в реално време към отдалечен център за мониторинг чрез RS485 комуникационен интерфейс за отдалечен мониторинг.
• ​Контрол:​​ Потребителите могат да управляват измервателя локално чрез бутони на модула за дисплея, за да извличат данни или да задават параметри.