طراحی دیجیتال متر برق با پایداری بالا و مدار ساده مقاوم در برابر ۱۵kV ESD

 1. مروری بر راه‌حل​

این راه‌حل هدف دارد تا یک طراحی شمارنده برق دیجیتال با عملکرد بالا و قابلیت اطمینان بالا ارائه دهد. هسته راه‌حل در طراحی مدار ساعت اصلی برای مدار کنترل اصلی قرار دارد، که به طور موثر ضعف‌های ذاتی شمارنده‌های برق دیجیتال سنتی در مواجهه با تداخل الکترواستاتیک (ESD) را حل می‌کند. این شمارنده می‌تواند به طور پایدار آزمون تخلیه الکترواستاتیک بدون تماس ۱۵kV را عبور دهد، و همچنین مزایایی مانند ساختار مدار ساده و پایداری ساعت بالا دارد. این شمارنده برای سناریوهای نظارت بر برق صنعتی که نیازمند قابلیت اطمینان و پایداری بالا هستند مناسب است.

​2. نقاط دردناک صنعت و زمینه فنی​

​2.1 نقطه دردناک صنعت: قدرت ضعیف مقاومت در برابر تداخل الکترواستاتیک​

در محیط‌های صنعتی، تخلیه الکترواستاتیک (ESD) یکی از مهم‌ترین دلایل خرابی تجهیزات الکترونیکی است. شمارنده‌های برق دیجیتال سنتی به دلیل تداخل در طول آزمون ESD بدون تماس استاندارد ۱۵kV، به راحتی به ریست شدن سیستم یا ناهماهنگی عملکردی مستعد هستند و نمی‌توانند نیازهای کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا را برآورده کنند.

​2.2 زمینه فنی: تجزیه و تحلیل راه‌حل‌های موجود​

چالش مقاومت در برابر ESD در شمارنده‌های برق دیجیتال موجود عمدتاً از طراحی فرکانس ساعت اصلی ناشی می‌شود:

• ​راه‌حل ۱: اتصال مستقیم به بلور با فرکانس بالا:​​ مدار کنترل اصلی به یک بلور با فرکانس ۲۵MHz متصل می‌شود و نیاز به دو خازن جبرانی خارجی دارد. اگرچه این طراحی ساختاری ساده دارد، اما از آنجا که پورت‌های I/O مدار (که برای مصرف انرژی کم طراحی شده‌اند) عموماً مقاومت ESD ضعیفی دارند، سیگنال با فرکانس بالا تحت تأثیر پالس‌های ESD آسان‌تر مختل می‌شود و ممکن است باعث خرابی سیستم شود.
• ​راه‌حل ۲: بلور با فرکانس پایین با ضرب فرکانس:​​ از یک بلور با فرکانس پایین استفاده می‌شود و از طریق یک حلقه فازی داخلی (PLL) به فرکانس بالا تبدیل می‌شود. این رویکرد بهبودی نسبی در برابر تداخل مستقیم ارائه می‌دهد، اما مشکل اساسی تداخل الکترواستاتیک را حل نمی‌کند و عملکرد ضد تداخل کمتر ایده‌آل است.

هر دو راه‌حل سنتی قادر به تضمین عملکرد پایدار شمارنده در محیط‌های الکترومغناطیسی سخت نیستند.

​3. ساختار کلی و عملکرد شمارنده​

این راه‌حل از طراحی ماژولی برای شمارنده استفاده می‌کند که شامل شش ماژول اصلی است که توسط یک ماژول تأمین توان یکپارچه تغذیه می‌شوند. ساختار واضح و عملکرد هر ماژول به صورت زیر است:

​4. مزایای فنی اصلی​

​4.1 قدرت بالای مقاومت در برابر تداخل الکترواستاتیک​

مزیت برجسته‌ترین این راه‌حل طراحی نوآورانه مدار ساعت اصلی است. با رها کردن طرح اتصال مستقیم به بلور با فرکانس بالا که مستعد تداخل است، مدار کنترل اصلی از یک بلور با فرکانس پایین ۳۲۷۶۸Hz به عنوان ورودی فرکانس اصلی استفاده می‌کند. چون سیگنال‌های نوسان‌ساز با فرکانس پایین شدت تشعشع خارجی کمی دارند و کمتر در معرض تداخل از سمت سیگنال‌های سر و صدای فرکانس بالا (مانند پالس‌های ESD) قرار می‌گیرند، عملکرد ضد تداخل از منبع به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. این طراحی با موفقیت نقطه دردناک شمارنده‌های سنتی را حل کرده و عبور پایدار از آزمون ESD بدون تماس ۱۵kV را ممکن می‌سازد و عملکرد قابل اعتماد در محیط‌های صنعتی پیچیده را تضمین می‌کند.

​4.2 ساختار مدار ساده‌تر​

مدار کنترل اصلی انتخاب شده (MSP430F5438A) شامل یک خازن جبرانی داخلی برای مدار نوسان‌ساز با فرکانس پایین خود است. این طراحی نیاز به دو خازن جبرانی خارجی مورد نیاز در طرح‌های سنتی بلور با فرکانس بالا را حذف می‌کند، ساختار PCB را ساده‌تر می‌کند، تعداد قطعات و هزینه مواد را کاهش می‌دهد، پیچیدگی جوشکاری تولید را کاهش می‌دهد و همگونی و قابلیت اطمینان محصول را افزایش می‌دهد.

​4.3 پایداری ساعت بالاتر​

• ​ساعت نرم‌افزاری سیستم پایدار:​​ بلور ۳۲۷۶۸Hz پس از تقسیم فرکانس می‌تواند یک سیگنال ساعت دقیق ۱Hz ثانیه‌ای تولید کند که به عنوان پایه ساعت نرم‌افزاری سیستم عمل می‌کند. پایداری و دقت آن بسیار بیشتر از ساعت‌های تولید شده توسط شبیه‌سازی نرم‌افزاری یا تقسیم فرکانس بالا است.
• ​ساعت اندازه‌گیری پایدار:​​ ساعت نمونه‌برداری ADC استفاده شده برای اندازه‌گیری انرژی نیز از این ساعت با فرکانس پایین پایدار نشأت می‌گیرد، که دقت نمونه‌برداری و محاسبه پارامترهای الکتریکی مانند ولتاژ، جریان و توان را تضمین می‌کند. این امر پایه داده‌ای برای مدیریت انرژی با کیفیت بالا ارائه می‌دهد.

​5. اصل کار سیستم​

فرآیند کاری شمارنده به شرح زیر است:

1. ​روشن شدن توان:​​ ماژول تأمین توان از طریق تأمین توان AC-DC کمکی ورودی AC را دریافت می‌کند، آن را تبدیل و جدا می‌کند به ولتاژ ۵V، ۳.۳V و ۵V جدا شده. این ولتاژ‌ها به ترتیب به ماژول جمع‌آوری سیگنال، سیستم کنترل اصلی (شامل ساعت زنده، حافظه، کنترل نمایش) و رابط ارتباطی تأمین می‌شوند و تمام ماژول‌ها به حالت آماده در می‌آیند.
2. ​جمع‌آوری سیگنال:​​ ماژول جمع‌آوری سیگنال به طور مداوم سیگنال‌های ولتاژ و جریان را از شبکه برق سه‌فاز جمع‌آوری می‌کند. پس از پردازش (مانند تقسیم، تبدیل جریان، تقویت توسط عملگرهای تقویت‌کننده، تبدیل سطح)، سیگنال‌های آنالوگ نماینده پارامترهای شبکه را به مدار کنترل اصلی ارسال می‌کند.
3. ​پردازش سیگنال:​​ مدار کنترل اصلی ابتدا سیگنال‌های آنالوگ دریافتی را با استفاده از مبدل AD یکپارچه خود به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کند. سپس با ترکیب با زمان‌دار ساعت زنده، محاسبات و تحلیل سیگنال‌های دیجیتال را انجام می‌دهد تا پارامترهای الکتریکی مورد نیاز (مانند ولتاژ و جریان RMS، توان فعال/غیرفعال، عامل توان، فرکانس) را به دست آورد.
4. ​خروجی داده و تعامل:​​
• ​ذخیره‌سازی:​​ داده‌های پردازش شده در حافظه اطلاعات داخلی ذخیره می‌شوند برای جستجوی داده‌های تاریخی و تحلیل بار.
• ​نمایش:​​ داده‌ها به طور همزمان به ماژول کنترل نمایش ارسال می‌شوند برای به‌روزرسانی واقعی نمایشگر LCD.
• ​ارتباط:​​ داده‌ها به طور واقعی از طریق رابط ارتباطی RS485 به مرکز نظارت دوردست ارسال می‌شوند برای نظارت دوردست.
• ​کنترل:​​ کاربران می‌توانند به طور محلی از طریق دکمه‌های ماژول نمایش داده را جستجو کنند یا پارامترها را تنظیم کنند.