طراحی دیجیتال متر برق با پایداری بالا و مدار ساده مقاوم در برابر 15kV ESD

 1. مروری بر راه‌حل​

این راه‌حل هدف دارد تا یک طراحی شمارنده برق دیجیتال با عملکرد بالا و قابلیت اطمینان بالا ارائه دهد. کلید راه‌حل در طراحی نوآورانه مدار ساعت اصلی برای مدار اصلی کنترلی است که به طور موثری ضعف‌های ذاتی شمارنده‌های برق دیجیتال معمولی در مورد مقاومت در برابر تداخل الکترواستاتیک (ESD) را حل می‌کند. این شمارنده می‌تواند به طور پایدار آزمون تخلیه الکترواستاتیک بدون تماس ۱۵kV را عبور دهد و همچنین دارای مزایایی مانند ساختار مدار ساده و ثبات ساعت بالا است. این شمارنده برای سناریوهای نظارت بر برق صنعتی که نیازمند قابلیت اطمینان و ثبات دقیق هستند مناسب است.

​2. نقاط دردناک صنعت و زمینه فنی​

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

در محیط‌های صنعتی، تخلیه الکترواستاتیک (ESD) یکی از مهم‌ترین دلایل خرابی تجهیزات الکترونیکی است. شمارنده‌های برق دیجیتال معمولی به دلیل تداخل در طی آزمون‌های استاندارد تخلیه الکترواستاتیک بدون تماس ۱۵kV، به راحتی به ریست شدن سیستم یا ناهماهنگی عملکردی می‌روند و نیازهای کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا را برآورده نمی‌کنند.

​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 ارتعاشی با فرکانس بالا:​​ مدار اصلی کنترلی به یک بلور ارتعاشی با فرکانس ۲۵MHz مستقیماً 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 پایین طراحی شده‌اند) معمولاً مقاومت ضعیفی در برابر ESD دارند، سیگنال با فرکانس بالا تحت تأثیر پالس‌های ESD می‌تواند مختل شود و منجر به خرابی سیستم شود.
• ​راه‌حل ۲: بلور ارتعاشی با فرکانس پایین با چند برابری فرکانس:​​ از یک بلور ارتعاشی با فرکانس پایین استفاده می‌شود و با استفاده از یک حلقه فاز‌بسته (PLL) داخلی به فرکانس بالا چند برابر می‌شود. این رویکرد به ترتیبی بهبود در مقاومت در برابر تداخل مستقیم ارائه می‌دهد، اما مشکل اساسی کوپلینگ الکترواستاتیک را حل نمی‌کند و در نتیجه عملکرد مقاومت در برابر تداخل کمتر از ایده‌آل است.

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

​3. ساختار کلی و عملکرد شمارنده​

این راه‌حل شمارنده را با طراحی ماژولار شامل شش ماژول اصلی که توسط یک ماژول تامین تغذیه یکپارچه تغذیه می‌شوند، ارائه می‌دهد. ساختار واضح و وظایف خوب تعریف شده است. ارتباطات و وظایف هر ماژول با مدار اصلی کنترلی به شرح زیر است:

​4. مزایای فنی اصلی​

​4.1 توانایی مقاومت در برابر تداخل الکترواستاتیک برتر​

مهم‌ترین مزیت این راه‌حل طراحی نوآورانه ساعت اصلی است. با رها کردن طرح اتصال مستقیم به بلور ارتعاشی با فرکانس بالا که حساس به تداخل است، مدار اصلی کنترلی از یک بلور ارتعاشی با فرکانس ۳۲۷۶۸Hz به عنوان ورودی فرکانس اصلی استفاده می‌کند. چون سیگنال‌های ارتعاشی با فرکانس پایین شدت تابش خارجی پایینی دارند و کمتر به تأثیر کوپلینگ از سمت سیگنال‌های نویز با فرکانس بالا (مانند پالس‌های ESD) می‌خورند، عملکرد مقاومت در برابر تداخل از منبع به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. این طراحی با موفقیت نقطه دردناک شمارنده‌های معمولی را حل می‌کند و امکان عبور پایدار از آزمون ESD بدون تماس ۱۵kV و عملکرد قابل اعتماد در محیط‌های صنعتی پیچیده را فراهم می‌کند.

​4.2 ساده‌سازی ساختار مدار​

مدار اصلی کنترلی انتخاب شده (MSP430F5438A) دارای خازن جبرانی داخلی برای مدار ارتعاشی با فرکانس پایین خود است. این طراحی نیاز به دو خازن جبرانی خارجی مورد نیاز در طرح‌های بلور ارتعاشی با فرکانس بالا را حذف می‌کند، ساده‌سازی بسته‌بندی PCB، کاهش تعداد مولفه‌ها و هزینه‌های ماده، کاهش پیچیدگی جوشکاری تولید و افزایش یکپارچگی و قابلیت اطمینان محصول را ارائه می‌دهد.

​4.3 ثبات ساعت بالاتر​

• ​ثبات ساعت نرم‌افزاری سیستم:​​ بلور ۳۲۷۶۸Hz پس از تقسیم فرکانس می‌تواند یک سیگنال ساعت دقیق ۱Hz تولید کند که به عنوان پایه ساعت نرم‌افزاری سیستم عمل می‌کند. ثبات و دقت آن به طور قابل توجهی از ساعت‌های تولید شده توسط شبیه‌سازی نرم‌افزاری یا تقسیم فرکانس بالا بیشتر است.
• ​ثبات ساعت اندازه‌گیری:​​ ساعت نمونه‌برداری ADC استفاده شده برای اندازه‌گیری انرژی در شمارنده نیز از این ساعت با فرکانس پایین ثابت نشأت می‌گیرد، که دقت نمونه‌برداری و محاسبه پارامترهای الکتریکی مانند ولتاژ، جریان و توان را تضمین می‌کند. این یک پایه داده برای مدیریت انرژی با کیفیت بالا فراهم می‌کند.

​5. اصل کار سیستم​

فرآیند عملیاتی شمارنده به شرح زیر است:

1. ​روشن شدن:​​ ماژول تامین تغذیه با دریافت ورودی AC از طریق تغذیه کمکی AC-DC، آن را تبدیل و جدا می‌کند تا ۵V، ۳.۳V و ۵V جدا شده تولید کند. این تغذیه‌ها به ترتیب به ماژول گرفتن سیگنال، سیستم کنترل اصلی (شامل ساعت واقعی، حافظه، کنترل نمایش) و رابط ارتباطی ارائه می‌شوند و تمام ماژول‌ها به حالت آماده در می‌آیند.
2. ​گرفتن سیگنال:​​ ماژول گرفتن سیگنال به طور مداوم سیگنال‌های ولتاژ و جریان را از شبکه برق سه‌فاز گرفته می‌شود. پس از پردازش (مانند تقسیم، تبدیل جریان، تقویت توسط تقویت‌کننده‌های عملیاتی، تبدیل سطح)، سیگنال‌های ANALOG نمایانگر پارامترهای شبکه را به مدار اصلی کنترلی ارسال می‌کند.
3. ​پردازش سیگنال:​​ مدار اصلی کنترلی ابتدا سیگنال‌های ANALOG دریافتی را با استفاده از مبدل AD یکپارچه خود به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کند. سپس با ترکیب با زمان‌دار ساعت واقعی، محاسبات و تحلیل‌های لازم را بر روی سیگنال‌های دیجیتال 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:​​
• ​ذخیره:​​ 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 از طریق دکمه‌های نمایشگر محلی شمارنده را کنترل کنند برای جستجوی داده یا تنظیم پارامترها.