15kV ESD Immune Digitalni mjerni uređaj s pojednostavljenom šemom i visokom stabilnošću

 1. Pregled rješenja​

Ovo rješenje ima za cilj pružanje dizajna digitalnog mjerača snage s visokom performansom i pouzdanosti. Svrha rješenja leži u inovativnom dizajnu osnovnog taktovnog kruga za glavni kontrolni čip, što učinkovito rješava suštinske nedostatke tradicionalnih digitalnih mjerača snage u pogledu otpornosti na elektrostatički smetnji (ESD). Mjerač može stabilno proći ispit 15kV nekontaktnog elektrostatičkog razlada, uz prednosti poput pojednostavljenog strukturnog kruga i visoke taktne stabilnosti. Ovdje je prikladan za industrijske scene nadzora snage koje zahtijevaju strogu pouzdanost i stabilnost.

​2. Bolne točke industrije & Tehnička pozadina​

​2.1 Bolna točka industrije: Slaba odpornost na elektrostatičku smetnju​

U industrijskim okruženjima, elektrostatički razlad (ESD) je vodeći uzrok propada elektroničkog opreme. Tradicionalni digitalni mjerači snage lako padaju ili pokazuju funkcionalne neregularnosti zbog smetnje tijekom standardnog ispita 15kV nekontaktnog ESD, što ne odgovara zahtjevima visoko pouzdanih primjena.

​2.2 Tehnička pozadina: Analiza postojećih rješenja​

Izazov anti-ESD u postojećim digitalnim mjeračima snage uglavnom potječe iz njihovog dizajna osnovne taktne frekvencije:

• ​Rješenje 1: Direktna veza visokofrekventnog kristalnog oscilatora:​​ Glavni kontrolni čip direktno povezan je s 25MHz visokofrekventnim kristalnim oscilatorom, zahtijevajući dva vanjska kompenzacijna kondenzatora. Iako struktura jednostavna, ovaj dizajn trpi od slabe ESD otpornosti ulazno-izlaznih portova čipa (dizajniranih za nisku potrošnju energije). Visokofrekventni signal je osjetljiv na smetnju tijekom ESD impulsa, što može dovesti do propada sustava.
• ​Rješenje 2: Niskofrekventni kristalni oscilator s množenjem frekvencije:​​ Koristi se niskofrekventni kristalni oscilator i množi se na visoku frekvenciju putem internog fazno-zaključanog petlje (PLL). Ovaj pristup donosi neku poboljšanu otpornost na direktne smetnje, ali ne rješava temeljno pitanje elektrostatskog kopliranja, rezultirajući manjom performansom u smislu otpornosti na smetnje.

Oba tradicionalna rješenja teše da jamče stabilno funkcioniranje mjerača u teškim elektromagnetskim okruženjima.

​3. Ukupna struktura i funkcija mjerača​

Mjerač ove rješenja koristi modularni dizajn, sastoji se od šest ključnih modula koji se napajaju unificiranim modulom napajanja. Struktura je jasna, a funkcije dobro definirane. Veze i funkcije svakog modula s glavnim kontrolnim čipom su sljedeće:

​4. Ključne tehničke prednosti​

​4.1 Nadmoćna otpornost na elektrostatičku smetnju​

Najkritičnija prednost ovog rješenja jest inovativan dizajn osnovnog taktovnog kruga. Odbacujući sklonu smetnji shemu direktnog povezivanja visokofrekventnog kristalnog oscilatora, glavni kontrolni čip koristi 32768Hz niskofrekventni kristal kao osnovni takt. Budući da niskofrekventni oscilatori imaju nisku intenzitet vanjskog zračenja i su manje osjetljivi na kopliranje vanjskog visokofrekventnog šuma (poput ESD impulsa), performanse otpornosti na smetnju su značajno poboljšane na izvorištu. Ovaj dizajn uspješno rješava bolnu točku tradicionalnih mjerača, omogućujući stabilno prolazak ispite 15kV nekontaktnog ESD i osiguravajući pouzdano funkcioniranje u složenim industrijskim okruženjima.

​4.2 Pojednostavljeni strukturni krug​

Odabrani glavni kontrolni čip (MSP430F5438A) ima unutrašnji kompenzacijni kondenzator za svoj interni niskofrekventni oscilator. Ovaj dizajn eliminira dva vanjska kompenzacijna kondenzatora potrebna u tradicionalnim shemama visokofrekventnog kristalnog oscilatora, pojednostavljujući PCB raspoređivanje, smanjujući broj komponenti i materijalne troškove, smanjujući složenost proizvodnje spajanja, i povećavajući konzistentnost i pouzdanost proizvoda.

​4.3 Viša taktova stabilnost​

• ​Stabilni softverski takt sustava:​​ 32768Hz kristal, nakon dijeljenja frekvencije, može generirati precizan 1Hz sekundni takt, služeći kao temelj softverskom taktu sustava. Njegova stabilnost i preciznost su daleko superiorni od taktova generiranih simulacijom softvera ili visokim dijeljenjem frekvencije.
• ​Stabilni takt mjerenja:​​ ADC uzorkovalni takt korišten za mjerenje energije u mjeraču također potječe od ovog stabilnog niskofrekventnog taktovnog kruga, osiguravajući točnost uzorkovanja i izračuna napona, struje, snage i drugih električnih parametara. To pruža podatkovnu osnovu za visokokvalitetno upravljanje energijom.

​5. Princip rada sustava​

Radni postupak mjerača je sljedeći:

1. ​Uključivanje napajanja:​​ Modul napajanja prima AC unos preko AC-DC pomoćnog napajanja, pretvarajući i izolirajući ga u 5V, 3.3V i izolirano 5V napajanje. Ovi napajaju Modul prikupljanja signala, Glavni kontrolni sustav (uključujući Stvarni sat, Memoriju, Modul upravljanja prikazom) i Komunikacijsko sučelje, dovodeći sve module u stanje spremnosti.
2. ​Prikupljanje signala:​​ Modul prikupljanja signala neprekidno prikuplja signale napona i struje iz trofazne električne mreže. Nakon obrade (npr. dijeljenje, transformacija struje, pojačanje operacijskim pojačavačem, konverzija razina), šalje analogni signale koji predstavljaju parametre mreže na Glavni kontrolni čip.
3. ​Obrađivanje signala:​​ Glavni kontrolni čip prvo pretvara primljene analogni signale u digitalne signale pomoću integriranog AD pretvarača. Zatim, kombinirajući timestamp iz Stvarnog sata, obavlja izračune i analizu digitalnih signala kako bi dobivene potrebne električne parametre (npr. RMS napon/struja, aktivna/reaktivna snaga, faktor snage, frekvencija).
4. ​Izlaz podataka & interakcija:​​
• ​Pohrana:​​ Procesirani podaci se pohranjuju u Internu memoriju informacija za upit povijesnih podataka i analizu opterećenja.
• ​Prikaz:​​ Podaci se istodobno šalju na Modul upravljanja prikazom za stvarno vrijeme ažuriranja na LCD zaslonu.
• ​Komunikacija:​​ Podaci se u stvarnom vremenu šalju na udaljeni nadzorni centar putem RS485 komunikacijskog sučelja za udaljeni nadzor.
• ​Upravljanje:​​ Korisnici mogu lokalno upravljati mjeračem preko tipki na modulu prikaza kako bi upitali podatke ili postavili parametre.