Návrh čítače digitálního napájení s imunitou proti ESD 15kV s zjednodušeným obvodem a vysokou stabilitou

 1. Přehled řešení​

Toto řešení má za cíl poskytnout vysokovýkonný a spolehlivý návrh digitálního měřiče elektrické energie. Klíčem k řešení je inovativní návrh hlavní časovací obvodu pro hlavní řídící čip, který efektivně vyřeší vrozené slabiny tradičních digitálních měřičů ohledně odolnosti proti elektrostatickému rušení (ESD). Měřič může stabilně projít 15kV nepřímým testem elektrostatického výboje, zatímco také nabízí výhody jako je zjednodušená struktura obvodu a vysoká stabilita časování. Je vhodný pro průmyslové scénáře monitorování spotřeby elektrické energie s náročnými požadavky na spolehlivost a stabilitu.

​2. Bolavé body průmyslu & technický kontext​

​2.1 Bolavý bod průmyslu: Slabá odolnost proti elektrostatickému rušení​

V průmyslovém prostředí je elektrostatický výboj (ESD) jednou z hlavních příčin selhání elektronického zařízení. Tradiční digitální měřiče elektrické energie jsou velmi náchylné k resetování systému nebo funkčním poruchám kvůli rušení během standardních 15kV nepřímých testů ESD, což nedosahuje požadavků aplikací s vysokou spolehlivostí.

​2.2 Technický kontext: Analýza stávajících řešení​

Výzva týkající se odolnosti proti ESD v existujících digitálních měřičích elektrické energie především vychází z návrhu frekvence hlavního časovacího obvodu:

• ​Řešení 1: Přímé spojení s vysokofrekvenčním krystalovým oscilátorem:​​ Hlavní řídící čip je přímo spojen s vysokofrekvenčním krystalovým oscilátorem o frekvenci 25 MHz, který vyžaduje dva externí kompenzační kondenzátory. Ačkoliv je tento návrh strukturálně jednoduchý, trpí slabou odolností proti ESD na I/O portech čipu (navržených pro nízké spotřebu energie). Vysokofrekvenční signál je citlivý na rušení pod vlivem pulsu ESD, což může vést k pádu systému.
• ​Řešení 2: Nízkofrekvenční krystalový oscilátor s četnostním násobením:​​ Používá se nízkofrekvenční krystalový oscilátor, který se násobí na vysokou frekvenci pomocí interního fázově zapojené smyčky (PLL). Tento přístup nabízí nějaké zlepšení proti přímému rušení, ale nedokáže zásadně vyřešit problém elektrostatického spojení, což vede k méně ideální odolnosti proti rušení.

Oba tradiční přístupy se setkávají s obtížemi při zajištění stabilního chodu měřiče v tvrdém elektromagnetickém prostředí.

​3. Celková struktura a funkce měřiče​

Měřič tohoto řešení používá modulární návrh, skládající se ze šesti základních modulů napájených unifikovaným modul napájecího zdroje. Struktura je jasná a funkce jsou dobře definovány. Připojení a funkce každého modulu k hlavnímu řídícímu čipu jsou následující:

​4. Klíčové technické výhody​

​4.1 Vynikající odolnost proti elektrostatickému rušení​

Nejdůležitější výhodou tohoto řešení je inovativní návrh hlavního časovacího obvodu. Opouští se návrh přímého spojení s vysokofrekvenčním krystalovým oscilátorem, který je náchylný k rušení, a místo toho hlavní řídící čip používá nízkofrekvenční krystal 32768Hz jako hlavní frekvenční vstup. Protože nízkofrekvenční oscilační signály mají nízkou intenzitu externího záření a jsou méně citlivé na spojení s externím vysokofrekvenčním šumem (jako je pulz ESD), je odolnost proti rušení značně zlepšena u zdroje. Tento návrh úspěšně řeší bolavý bod tradičních měřičů, umožňuje stabilní projití 15kV nepřímým testem ESD a zajišťuje spolehlivý provoz v komplexních průmyslových prostředích.

​4.2 Zjednodušená struktura obvodu​

Vybraný hlavní řídící čip (MSP430F5438A) má vestavěný kompenzační kondenzátor pro svůj interní nízkofrekvenční oscilátorový obvod. Tento návrh eliminuje potřebu dvou externích kompenzačních kondenzátorů, které jsou vyžadovány v tradičních schématech s vysokofrekvenčním krystalovým oscilátorem, zjednodušuje rozvržení PCB, snižuje počet komponent a materiální náklady, snižuje složitost montáže a zvyšuje konzistenci a spolehlivost produktu.

​4.3 Vyšší stabilita časování​

• ​Stabilní software systému:​​ Po četnostním dělení 32768Hz krystalu lze vygenerovat přesný sekundový signál 1Hz, který slouží jako základ software hodin systému. Jeho stabilita a přesnost jsou daleko lepší než hodiny generované softwarovou simulací nebo četnostním dělením vysoké frekvence.
• ​Stabilní měřicí hodiny:​​ ADC vzorkovací hodiny používané pro měření energie v měřiči také pocházejí z tohoto stabilního nízkofrekvenčního času, což zajišťuje přesnost vzorkování a výpočtu napětí, proudu, výkonu a dalších elektrických parametrů. Poskytuje datovou základnu pro kvalitní správu energie.

​5. Princip fungování systému​

Pracovní postup měřiče je následující:

1. ​Zapnutí:​​ Modul napájecího zdroje přijímá AC vstup přes AC-DC pomocný napájecí zdroj, který jej převede a izoluje na napětí 5V, 3.3V a izolované 5V. Tyto napájejí modul akvizice signálů, hlavní řídící systém (včetně reálného času, paměti, řízení displeje) a komunikační rozhraní, což přináší všechny moduly do připraveného stavu.
2. ​Akvizice signálů:​​ Modul akvizice signálů neustále akutuje signály napětí a proudu z třífázové elektrické sítě. Po zpracování (např. dělení, transformace proudu, zesílení operačními zesilovači, konverze úrovně) odesílá analogové signály reprezentující parametry sítě do hlavního řídícího čipu.
3. ​Zpracování signálů:​​ Hlavní řídící čip nejprve převede přijaté analogové signály na digitální signály pomocí integrovaného AD převodníku. Poté, kombinováním s časovou značkou z reálného času, provádí výpočty a analýzy digitálních signálů, aby získal požadované elektrické parametry (např. efektivní napětí/proudu, aktivní/reaktivní výkon, faktor využití, frekvence).
4. ​Výstup dat a interakce:​​
• ​Uložení:​​ Zpracovaná data jsou uložena do vnitřní paměti informací pro dotazování historických dat a analýzu zatížení.
• ​Zobrazení:​​ Data jsou současně odeslána do modulu řízení displeje pro reálné časové aktualizace na LCD displeji.
• ​Komunikace:​​ Data jsou v reálném čase nahrávána do vzdáleného monitorovacího centra přes rozhraní RS485 pro vzdálené monitorování.
• ​Řízení:​​ Uživatelé mohou místně ovládat měřič přes tlačítka na displejovém modulu, aby dotazovali data nebo nastavili parametry.