Conception de compteur numérique de puissance 15kV résistant aux décharges électrostatiques avec circuit simplifié et haute stabilité

 1. Vue d'ensemble de la solution​

Cette solution vise à fournir une conception de compteur numérique de puissance haute performance et haute fiabilité. Le cœur de la solution réside dans une conception innovante du circuit horloge maître pour la puce de contrôle principal, qui résout efficacement les faiblesses inhérentes des compteurs numériques de puissance traditionnels en termes de protection contre les interférences électrostatiques (ESD). Le compteur peut passer stables le test de décharge électrostatique non contact 15kV, tout en offrant des avantages tels qu'une structure de circuit simplifiée et une stabilité horloge élevée. Il est adapté aux scénarios de surveillance de la puissance industrielle nécessitant une fiabilité et une stabilité strictes.

​2. Points de douleur de l'industrie & contexte technique​

​2.1 Point de douleur de l'industrie : Capacité faible de protection contre les interférences électrostatiques​

Dans les environnements industriels, la décharge électrostatique (ESD) est une cause majeure de panne d'équipement électronique. Les compteurs numériques de puissance traditionnels sont très sensibles aux redémarrages système ou aux anomalies fonctionnelles dues aux interférences lors des tests ESD non contact standard de 15kV, ne répondant pas aux exigences des applications à haute fiabilité.

​2.2 Contexte technique : Analyse des solutions existantes​

Le défi de la protection contre l'ESD dans les compteurs numériques de puissance existants provient principalement de la conception de la fréquence d'horloge principale :

• ​Solution 1 : Connexion directe à un oscillateur cristal à haute fréquence :​​ La puce de contrôle principal est connectée directement à un oscillateur cristal à haute fréquence de 25MHz, nécessitant deux condensateurs de compensation externes. Bien que simple en structure, cette conception souffre de la faible résistance ESD des ports I/O de la puce (conçus pour une consommation d'énergie faible). Le signal à haute fréquence est sensible aux interférences sous les impulsions ESD, pouvant entraîner des plantages du système.
• ​Solution 2 : Oscillateur cristal à basse fréquence avec multiplication de fréquence :​​ Un oscillateur cristal à basse fréquence est utilisé et multiplié à une haute fréquence via une boucle de verrouillage de phase (PLL) interne. Cette approche offre une amélioration contre les interférences directes mais ne résout pas fondamentalement le problème du couplage électrostatique, entraînant des performances de protection contre les interférences inférieures à l'idéal.

Les deux solutions traditionnelles peinent à garantir le fonctionnement stable du compteur dans des environnements électromagnétiques difficiles.

​3. Structure globale et fonction du compteur​

Le compteur de cette solution adopte une conception modulaire, composé de six modules principaux alimentés par un module d'alimentation unifié. La structure est claire et les fonctions bien définies. Les connexions et fonctions de chaque module à la puce de contrôle principal sont les suivantes :

​4. Avantages techniques clés​

​4.1 Capacité supérieure de protection contre les interférences électrostatiques​

L'avantage le plus crucial de cette solution est la conception innovante de l'horloge principale. Abandonnant le schéma de connexion directe à un oscillateur cristal à haute fréquence sensible aux interférences, la puce de contrôle principal utilise un cristal à basse fréquence de 32768Hz comme entrée de fréquence principale. Comme les signaux d'oscillation à basse fréquence ont une intensité de rayonnement externe faible et sont moins sensibles au couplage d'interférences de bruit à haute fréquence externe (comme les impulsions ESD), la performance de protection contre les interférences est considérablement améliorée à la source. Cette conception résout avec succès le point de douleur des compteurs traditionnels, permettant un passage stable au test ESD non contact de 15kV et assurant un fonctionnement fiable dans des environnements industriels complexes.

​4.2 Structure de circuit simplifiée​

La puce de contrôle principal sélectionnée (MSP430F5438A) dispose d'un condensateur de compensation intégré pour son circuit d'oscillateur à basse fréquence interne. Cette conception élimine les deux condensateurs de compensation externes nécessaires dans les schémas traditionnels d'oscillateur cristal à haute fréquence, simplifiant la disposition du PCB, réduisant le nombre de composants et les coûts de matériaux, diminuant la complexité de la soudure de production et améliorant la cohérence et la fiabilité du produit.

​4.3 Stabilité horloge supérieure​

• ​Horloge logicielle système stable :​​ Le cristal de 32768Hz, après division de fréquence, peut générer un signal d'horloge de secondes précis de 1Hz, servant de base à l'horloge logicielle du système. Sa stabilité et sa précision sont bien supérieures aux horloges générées par simulation logicielle ou division de haute fréquence.
• ​Horloge de mesure stable :​​ L'horloge d'échantillonnage ADC utilisée pour la mesure d'énergie dans le compteur provient également de cette horloge à basse fréquence stable, assurant la précision de l'échantillonnage et du calcul des paramètres électriques tels que la tension, le courant, la puissance, etc. Cela fournit une base de données pour une gestion de l'énergie de haute qualité.

​5. Principe de fonctionnement du système​

Le flux de travail opérationnel du compteur est le suivant :

1. ​Mise sous tension :​​ Le module d'alimentation reçoit l'entrée AC via l'alimentation AC-DC auxiliaire, la convertissant et l'isolant en tensions de 5V, 3.3V et 5V isolé. Ces tensions alimentent respectivement le module de circuit d'acquisition de signaux, le système de contrôle principal (y compris l'horloge en temps réel, la mémoire, le contrôle d'affichage) et l'interface de communication, mettant tous les modules en état de prêt.
2. ​Acquisition de signaux :​​ Le module de circuit d'acquisition de signaux acquiert continuellement les signaux de tension et de courant du réseau électrique triphasé. Après traitement (par exemple, division, transformation de courant, amplification par amplificateurs opérationnels, conversion de niveau), il envoie des signaux analogiques représentant les paramètres du réseau à la puce de contrôle principal.
3. ​Traitement des signaux :​​ La puce de contrôle principal convertit d'abord les signaux analogiques reçus en signaux numériques à l'aide de son convertisseur AD intégré. Ensuite, combiné avec l'horodatage de l'horloge en temps réel, elle effectue des calculs et analyses sur les signaux numériques pour dériver les paramètres électriques requis (par exemple, tension/courant efficace, puissance active/réactive, facteur de puissance, fréquence).
4. ​Sortie de données & interaction :​​
• ​Stockage :​​ Les données traitées sont sauvegardées dans la mémoire interne d'informations pour la consultation des données historiques et l'analyse de charge.
• ​Affichage :​​ Les données sont envoyées simultanément au module de contrôle d'affichage pour une mise à jour en temps réel sur l'afficheur LCD.
• ​Communication :​​ Les données sont transmises en temps réel au centre de surveillance à distance via l'interface de communication RS485 pour la surveillance à distance.
• ​Contrôle :​​ Les utilisateurs peuvent opérer le compteur localement via les boutons du module d'affichage pour consulter les données ou configurer les paramètres.