Disseny de comptador d'energia digital amb immunitat a 15kV ESD i circuit simplificat i alta estabilitat

 1. Resum de la solució​

Aquesta solució pretén proporcionar un disseny de comptador d'energia digital d'alta prestació i alta fiabilitat. El nucli de la solució es troba en un innovador disseny de circuit de rellotge principal per a la xip de control principal, que resol eficaçment les debilitats inherents dels comptadors d'energia digital tradicionals en què es refereix a la protecció contra interferències electroestàtiques (ESD). El comptador pot passar de manera estable la prova d'escombrament electroestàtic no contacte de 15kV, així com també presenta avantatges com una estructura de circuit simplificada i una gran estabilitat del rellotge. És adequat per a escenaris de monitorització d'energia industrial que requereixen una fiabilitat i estabilitat estrictes.

​2. Punts de dolor de l'indústria i context tècnic​

​2.1 Punt de dolor de l'indústria: Capacitat feble de protecció contra interferències electroestàtiques​

Els entorns industrials són propensos a l'escombrament electroestàtic (ESD), que és una de les principals causes de fallida de l'equip electrònic. Els comptadors d'energia digital tradicionals són molt propensos a reinicis del sistema o anormalitats funcionals degut a interferències durant les proves d'ESD no contacte de 15kV estàndard, sense aconseguir satisfacer els requisits de les aplicacions d'alta fiabilitat.

​2.2 Context tècnic: Anàlisi de les solucions existents​

El desafiam de la protecció contra ESD en els comptadors d'energia digital actuals prové principalment del disseny de la freqüència del rellotge principal:

• ​Solució 1: Connexió directa d'un oscil·lador de cristall de alta freqüència:​​ La xip de control principal es connecta directament a un oscil·lador de cristall de 25MHz de alta freqüència, necessitant dos condensadors de compensació externs. Tot i que la seva estructura és simple, aquest disseny pateix de la feblesa de la resistència a l'ESD dels ports I/O de la xip (dissenyats per a baix consum). El senyal de alta freqüència és susceptible a interferències sota impulsos d'ESD, podent causar fallides del sistema.
• ​Solució 2: Oscil·lador de cristall de baixa freqüència amb multiplicació de freqüència:​​ S'utilitza un oscil·lador de cristall de baixa freqüència i es multiplica a una freqüència alta mitjançant un bucle de fases (PLL) intern. Aquest enfocament ofereix alguna millora contra la interferència directa, però no resol fonamentalment el problema del couplament electroestàtic, resultant en un rendiment anti-interferència menys ideal.

Totes dues solucions tradicionals tenen dificultats per assegurar l'operació estable del comptador en entorns electromagnètics severos.

​3. Estructura general i funció del comptador​

Aquest comptador de la solució adopta un disseny modular, consistint en sis mòduls nuclears alimentats per un mòdul d'alimentació unificat. L'estructura és clara i les funcions estan ben definides. Les connexions i funcions de cada mòdul amb la xip de control principal són les següents:

​4. Avantatges tècnics nuclears​

​4.1 Capacitat superior de protecció contra interferències electroestàtiques​

L'avantatge més crític d'aquesta solució és el disseny innovador del rellotge principal. Abandonant l'esquema de connexió directa del cristall de alta freqüència propens a interferències, la xip de control principal utilitza un cristall de 32768Hz de baixa freqüència com a entrada de freqüència principal. Com que els senyals d'oscil·lació de baixa freqüència tenen una intensitat de radiació externa baixa i són menys susceptibles a la interferència de couplament de soroll de alta freqüència extern (com els impulsos d'ESD), el rendiment anti-interferència s'ha millorat significativament a la font. Aquest disseny ha resolt amb èxit el punt de dolor dels comptadors tradicionals, permetent el pas estable de la prova d'ESD no contacte de 15kV i assegurant una operació fiable en entorns industrials complexos.

​4.2 Estructura de circuit simplificada​

La xip de control principal seleccionada (MSP430F5438A) té un condensador de compensació intern per al seu circuit d'oscil·lador de baixa freqüència. Aquest disseny elimina els dos condensadors de compensació externs necessaris en els esquemes de cristalls de alta freqüència tradicionals, simplificant la disposició de la PCB, reduint el nombre de components i els costos de materials, disminuint la complexitat de la soldadura de producció i augmentant la consistència i fiabilitat del producte.

​4.3 Major estabilitat del rellotge​

• ​Rellotge de programari del sistema estable:​​ El cristall de 32768Hz, després de la divisió de freqüència, pot generar un senyal de rellotge de segons precís de 1Hz, que serveix com a base per al rellotge de programari del sistema. La seva estabilitat i precisió són molt superiors als rellotges generats per simulació de programari o divisió de freqüència alta.
• ​Rellotge de mesura estable:​​ El rellotge d'mostreig de l'ADC utilitzat per a la mesura d'energia en el comptador també prové d'aquest rellotge de baixa freqüència estable, assegurant la precisió de l'mostreig i càlcul de paràmetres elèctrics com la tensió, la corrent i la potència. Això proporciona una base de dades per a la gestió d'energia de qualitat.

​5. Principi de treball del sistema​

El flux de treball del comptador és el següent:

1. ​Encenció:​​ El Mòdul d'alimentació rep una entrada AC a través de l'alimentació auxiliar AC-DC, convertint-la i aïllant-la en tensions de 5V, 3.3V i 5V aïllat. Aquests alimenten el Mòdul de circuit d'adquisició de senyals, el Sistema de control principal (incloent-hi el Rellotge en temps real, la Memòria, el Mòdul de control de visualització) i l'Interfície de comunicació respectivament, portant tots els mòduls a un estat preparat.
2. ​Adquisició de senyals:​​ El Mòdul de circuit d'adquisició de senyals adquireix continuament senyals de tensió i corrent de la xarxa elèctrica tri-fàsica. Després de processar-los (per exemple, divisió, transformació de corrent, amplificació per amplificadors operacionals, conversió de nivell), envia senyals analògics que representen els paràmetres de la xarxa a la Xip de control principal.
3. ​Processament de senyals:​​ La Xip de control principal converteix primer els senyals analògics rebuts en senyals digitals utilitzant el seu convertidor AD integrat. Posteriorment, combinant-los amb l'horitzó de temps del Rellotge en temps real, realitza càlculs i anàlisis dels senyals digitals per derivar els paràmetres elèctrics requerits (per exemple, tensió/corrent RMS, potència activa/reactiva, factor de potència, freqüència).
4. ​Sortida de dades i interacció:​​
• ​Emmagatzemament:​​ Les dades processades es guarden a la Memòria interna d'informació per a consultes de dades històriques i anàlisis de càrrega.
• ​Visualització:​​ Les dades es transmeten simultàniament al Mòdul de control de visualització per a l'actualització en temps real a la pantalla LCD.
• ​Comunicació:​​ Les dades es carreguen en temps real al centre de monitorització remot a través de l'Interfície de comunicació RS485 per a la monitorització remota.
• ​Control:​​ Els usuaris poden operar el comptador localment a través dels botons del mòdul de visualització per consultar dades o configurar paràmetres.