עיצוב מד מתח דיגיטלי עם חסינות ל-15kV ESD ומעגל מופשט יציבות גבוהה

 1. סקירת הפתרון​

הפתרון מתמקד במתן תכנון מד מתח דיגיטלי בעל ביצועים גבוהים ואמינות גבוהה. ליבה של הפתרון היא תכנון חדשני של מעגל שעון ראשי עבור שבב הבקרה הראשי, המפתה את חולשותיהם הטבועות של מדדי מתח דיגיטליים מסורתיים לגבי התנגדות להתפרעות אלקטרוסטטית (ESD). המד יכול לעבור באופן יציב את מבחן ההפרעה האלקטרוסטטית ללא מגע ברמה של 15kV, תוך שהוא מציג יתרונות כמו מבנה מעגל פשוט ואמינות גבוהה של השעון. הוא מתאים לשימוש בסצנות מעקב אחר צריכת חשמל תעשייתית שדורשות אמינות ויציבות קפדניות.

​2. נקודות כאב בתעשייה & רקע טכני​

​2.1 נקודת כאב בתעשייה: יכולת התנגדות חלשה להתפרעות אלקטרוסטטית​

בתנאים תעשייתיים, הפרעה אלקטרוסטטית (ESD) היא הגורם העיקרי לכשלים במתקנים אלקטרוניים. מדדי מתח דיגיטליים מסורתיים פגיעים מאוד לאזעקות מערכת או להפרעות פונקציונליות כתוצאה מהפרעות במהלך מבחני ESD ללא מגע סטנדרטיים ברמה של 15kV, ולא עונים על דרישות יישומים עם אמינות גבוהה.

​2.2 רקע טכני: ניתוח הפתרונות הקיימים​

התהליך של התנגדות ל-ESD במדדי מתח דיגיטליים קיימים נובע בעיקר מתכנון תדר השעון הראשי שלהם:

• ​פתרון 1: חיבור ישיר של קריסטל אוסצילטור בתדר גבוה:​​ שבב הבקרה הראשי מחובר ישירות לקריסטל אוסצילטור בתדר גבוה של 25MHz, הדורש שתי קבל פיצוי חיצוניים. אם כי המבנה פשוט, התכנון הזה סובל מהעובדה שהמשרקיינים I/O של השבב (שנ策不影响原文结构和格式，继续翻译如下：
• ​פתרון 1: חיבור ישיר של קריסטל אוסצילטור בתדר גבוה:​​ שבב הבקרה הראשי מחובר ישירות לקריסטל אוסצילטור בתדר גבוה של 25MHz, הדורש שתי קבל פיצוי חיצוניים. אם כי המבנה פשוט, התכנון הזה סובל מהעובדה שהמשרקיינים I/O של השבב (שתוכנן לחיסכון באנרגיה) בדרך כלל בעלי התנגדות חלשה ל-ESD. הסiginal בתדר גבוה פגיע להפרעות תחת פולסים של ESD, מה שיכול לגרום להאצת המערכת.
• ​פתרון 2: קריסטל אוסצילטור בתדר נמוך עם הכפלת תדר:​​ משתמשים בקריסטל אוסצילטור בתדר נמוך ומגדילים אותו לתדר גבוה באמצעות Phase-Locked Loop (PLL) פנימי. גישה זו מציעה שיפור מסוים נגד הפרעות ישירות אך אינה פותרת את הבעיה היסודית של הקופלינג האלקטרוסטטי, מה שמוביל לתפוקת התנגדות לאידיאלית.

שני הפתרונות המסורתיים מתקשים להבטיח פעילות יציבה של המד בסביבות אלקטרומגנטיות קשות.

​3. מבנה כללי ופונקציות של המד​

מד זה בפתרון מכיל תכנון מודולרי, הכולל שש מודולים עיקריים המזינים אנרגיה ממודול הזינה המאוחד. המבנה ברור, והפונקציות מוגדרות היטב. החיבורים והפונקציות של כל מודול לששבב הבקרה הראשי הם כדלקמן:

​4. יתרונות טכנולוגיים עיקריים​

​4.1 יכולת התנגדות גבוהה להפרעות אלקטרוסטטיות​

היתרון הקריטי ביותר של הפתרון הזה הוא תכנון החדשני של השעון הראשי. במקום להשתמש בתכנון קריסטל בתדר גבוה פגיע להפרעות, שבב הבקרה הראשי משתמש בקריסטל בתדר נמוך של 32768Hz כקלט תדר ראשי. מכיוון שהאותות באוסצילציה בתדר נמוך הם בעלי קרינה חיצונית נמוכה ולא פגיעים לקופלינג מהפרעות תדר גבוה חיצוניות (כמו פולסים של ESD), הביצועים של ההתנגדות להפרעות משופרים באופן משמעותי במקור. תכנון זה מצליח להתמודד עם נקודת הכאב של מדדים מסורתיים, מאפשר מעבר יציב במבחן ESD ללא מגע ברמה של 15kV ובטוח את הפעולה האמינה בסביבות תעשייתיות מורכבות.

​4.2 מבנה מעגל פשוט יותר​

השבב הבקרה הראשי שנבחר (MSP430F5438A) כולל קבלים פנימיים למעגל האוסצילטור בתדר נמוך שלו. תכנון זה מפחית את שני הקבלים החיצוניים הנדרשים בתכנון קריסטל בתדר גבוה מסורתי, מפשט את תכנון הלוח PCB, מפחית את מספר החלקים ואת עלויות החומרים, מפחית את מורכבות הליתוש בהפקה ומגביר את האחידות והאמינות של המוצר.

​4.3 יציבות שעון גבוהה יותר​

• ​שעון תוכנה יציב:​​ לאחר חלוקת התדר, קריסטל 32768Hz יכול לייצר אות שעון מדויק של 1Hz בשניות, המשמש כבסיס לשעון התוכנה של המערכת. יציבותו ודיוקו הרבה מעל לשעונים שנוצרו באמצעות סימולציה בתוכנה או חלוקת תדר גבוה.
• ​שעון מדידה יציב:​​ השעון למדידת אנרגיה שמשמש במד גם נובע משעון בתדר נמוך יציב זה, המבטיח דיוק במדידת וחישוב פרמטרים חשמליים כמו מתח, זרם, אנרגיה ועוד. זה מספק בסיס נתונים איכותי לניהול אנרגיה.

​5. עקרון עבודה של המערכת​

העבודה של המד היא כדלקמן:

1. ​הדלקה:​​ מודול הזינה מקבל הזנה AC דרך הזנה עוזרת AC-DC, ממיר ומבודד אותה ל-5V, 3.3V, ו-5V מבודד. אלה מספקים את מודול רכישת האות, מערכת הבקרה הראשית (כולל שעון בזמן אמת, זיכרון, בקרה תצוגה) וממשק התקשורת בהתאמה, מביאים את כל המודולים למצב מוכן.
2. ​רכישת אות:​​ מודול רכישת האות רוכש постоянно מתח ואותות זרם מהרשת תלת-פאזית. לאחר עיבוד (למשל, חלוקה, העברה של זרם, הרחבת צלילים על ידי מגברי פעולה, שינוי רמות), הוא שולח אותות אנלוגיים המייצגים פרמטרים של הרשת לשbeb הבקרה הראשי.
3. ​עיבוד אות:​​ שבב הבקרה הראשי קודם ממיר את האותות האנלוגיים לאותות דיגיטליים באמצעות המעבר AD המאגד בו. לאחר מכן, בשילוב עם זמןESTAMP מהשעון בזמן אמת, הוא מבצע חישובים וניתוחים על האותות הדיגיטליים כדי לקבל פרמטרים חשמליים הנדרשים (לדוגמה, מתח וזרם RMS, אנרגיה פעילה/לא פעילה, מקדם כוח, תדר).
4. ​פלט נתונים ותאום:​​
• ​אחסון:​​ הנתונים המעבדים נשמרים בזיכרון המידע הפנימי לצורך שאילתת נתונים היסטורית וניתוח עומס.
• ​תצוגה:​​ הנתונים נשלחים במקביל למודול בקרה תצוגה לעדכון בזמן אמת על תצוגת LCD.
• ​תקשורת:​​ הנתונים מועלים בזמן אמת למרכז מעקב מרוחק דרך ממשק תקשורת RS485 לניהול מרוחק.
• ​בקרה:​​ המשתמשים יכולים לתפעל את המד באופן מקומי באמצעות לחצנים על מודול התצוגה כדי לחקור נתונים או לקבוע פרמטרים.