15kV ESD Immune Digital Power Meter Design nga may Simplified Circuit & High Stability

 1. Paghuhubad sa Solusyon​

Ang solusyong ito ay may layuning magbigay ng disenyo ng digital na power meter na mataas ang performance at reliabilidad. Ang puso ng solusyon ay nasa isang inobatibong disenyo ng master clock circuit para sa pangunahing kontrol chip, na epektibong nagreresolba sa inherent na mga kahinaan ng mga tradisyonal na digital na power meter sa paglaban sa electrostatic interference (ESD). Ang meter ay maaaring ma-stable ang 15kV non-contact electrostatic discharge test, kasama ang mga benepisyo tulad ng simpleng istraktura ng circuit at mataas na stability ng clock. Ito ay angkop para sa industriyal na scenario ng monitoring ng power na nangangailangan ng mahigpit na reliabilidad at estabilidad.

​2. Sakit ng Industriya & Teknikal na Background​

​2.1 Sakit ng Industriya: Mahina ang Kapasidad sa Paglaban sa Electrostatic Interference​

Sa industriyal na setting, ang electrostatic discharge (ESD) ay isa sa pangunahing sanhi ng pagkasira ng electronic equipment. Ang mga tradisyonal na digital na power meter ay madaling mag-reset o magkaroon ng abnormal na pagganap dahil sa interference sa standard 15kV non-contact ESD tests, hindi nakakasatisfy sa mga requirement ng high-reliability applications.

​2.2 Teknikal na Background: Analisis ng Mga Existing na Solusyon​

Ang hamon ng anti-ESD sa existing na digital na power meters pangunahing nagmumula sa disenyo ng kanilang main clock frequency:

• ​Solusyon 1: Direct Connection ng High-Frequency Crystal Oscillator:​​ Ang pangunahing kontrol chip ay direktang konektado sa 25MHz high-frequency crystal oscillator, na nangangailangan ng dalawang external compensation capacitors. Habang simple ang istraktura, ang disenyo ay may mahinang resistance sa ESD sa I/O ports (na idisenyo para sa mababang power consumption). Ang high-frequency signal ay madaling ma-interfere sa ilalim ng ESD pulses, posibleng magdulot ng system crash.
• ​Solusyon 2: Low-Frequency Crystal Oscillator with Frequency Multiplication:​​ Ginagamit ang low-frequency crystal oscillator at inuumpukan sa high frequency gamit ang internal Phase-Locked Loop (PLL). Ang approach na ito ay nagbibigay ng kaunting pagbabago laban sa direct interference ngunit hindi lubusang nagreresolba sa isyu ng electrostatic coupling, nagreresulta sa less-than-ideal na anti-interference performance.

Ang parehong tradisyonal na solusyon ay hindi maaaring tiyaking stable ang operasyon ng meter sa harsh na electromagnetic environment.

​3. Buong Istruktura at Function ng Meter​

Ang meter ng solusyong ito ay gumagamit ng modular na disenyo, na binubuo ng anim na core modules na pinapatakbo ng iisang power supply module. Ang istraktura ay malinaw, at ang mga function ay maayos na inilalarawan. Ang mga koneksyon at functions ng bawat module sa pangunahing kontrol chip ay sumusunod:

​4. Puna ng Teknikal na Advantages​

​4.1 Superior na Anti-Electrostatic Interference Capability​

Ang pinaka-critical na advantage ng solusyong ito ay ang inobatibong disenyo ng main clock. Inabandona ang interference-prone high-frequency crystal direct connection scheme, ang pangunahing kontrol chip ay gumagamit ng 32768Hz low-frequency crystal bilang main frequency input. Dahil ang low-frequency oscillation signals ay may mababang external radiation intensity at mas mahirap ma-interfere sa pamamagitan ng external high-frequency noise (tulad ng ESD pulses), ang anti-interference performance ay significantly improved sa source. Ang disenyo na ito ay matagumpay na nagreresolba sa sakit ng tradisyonal na meters, nagbibigay ng stable passage sa 15kV non-contact ESD test at nagse-secure ng reliable operation sa complex na industriyal na environments.

​4.2 Simplified na Istraktura ng Circuit​

Ang piniling pangunahing kontrol chip (MSP430F5438A) ay may built-in compensation capacitor para sa internal low-frequency oscillator circuit. Ang disenyo na ito ay nag-eeliminate ng dalawang external compensation capacitors na kinakailangan sa tradisyonal na high-frequency crystal schemes, simplifying PCB layout, reducing component count and material costs, decreasing production soldering complexity, at enhancing product consistency and reliability.

​4.3 Mas Mataas na Stability ng Clock​

• ​Stable System Software Clock:​​ Ang 32768Hz crystal, after frequency division, can generate a precise 1Hz seconds clock signal, serving as the foundation for the system's software clock. Its stability and accuracy are far superior to clocks generated by software simulation or high-frequency division.
• ​Stable Metering Clock:​​ The ADC sampling clock used for energy measurement in the meter also originates from this stable low-frequency clock, ensuring the accuracy of voltage, current, power, and other electrical parameter sampling and calculation. This provides a data foundation for high-quality energy management.

​5. Prinsipyo ng Paggana ng Sistema​

Ang workflow ng meter ay sumusunod:

1. ​Pagbukas ng Power:​​ Ang Power Supply Module ay tumatanggap ng AC input sa pamamagitan ng AC-DC auxiliary power supply, converting and isolating it into 5V, 3.3V, and isolated 5V voltages. These supply the Signal Acquisition Circuit, the Main Control System (including Real-Time Clock, Memory, Display Control), and the Communication Interface respectively, bringing all modules to a ready state.
2. ​Signal Acquisition:​​ The Signal Acquisition Circuit Module continuously acquires voltage and current signals from the three-phase power grid. After processing (e.g., division, current transformation, amplification by op-amps, level conversion), it sends analog signals representing grid parameters to the Main Control Chip.
3. ​Signal Processing:​​ The Main Control Chip first converts the received analog signals into digital signals using its integrated AD converter. Subsequently, combined with the timestamp from the Real-Time Clock, it performs calculations and analysis on the digital signals to derive required electrical parameters (e.g., RMS voltage/current, active/reactive power, power factor, frequency).
4. ​Data Output & Interaction:​​
• ​Storage:​​ Processed data is saved to the Internal Information Memory for historical data querying and load analysis.
• ​Display:​​ Data is simultaneously sent to the Display Control Module for real-time updating on the LCD display.
• ​Communication:​​ Data is uploaded in real-time to the remote monitoring center via the RS485 Communication Interface for remote monitoring.
• ​Control:​​ Users can operate the meter locally via buttons on the display module to query data or set parameters.