15kV ESD tiszta digitális energia számológép tervezése egyszerűsített áramkörrel és magas stabilizációval

 1. Megoldás áttekintése​

Ez a megoldás egy magas teljesítményű, megbízható digitális energia-mérő tervezését célozza. A megoldás szívében egy innovatív fő órájel kör tervezése áll, amely hatékonyan kezeli a hagyományos digitális energia-mérők elektrostatikus zavar (ESD) elleni gyengeségeit. Az eszköz stabil módon átveszi a 15kV nélküli érintéses elektrostatikus töltéstartó vizsgálatot, mellyel egyszerre összetett körstruktúrával és magas órajel stabilitással is rendelkezik. Ezen felül alkalmas azokhoz az ipari energiamonitorozási alkalmazásokhoz, ahol szigorú megbízhatóság és stabilitás szükséges.

​2. Ipari problémák & technikai háttér​

​2.1 Ipari probléma: Gyenge elektrostatikus zavar elleni képesség​

Az ipari környezetekben az elektrostatikus töltéstartó (ESD) a vezető oka az elektronikus berendezések kibukásának. A hagyományos digitális energia-mérők nagy mértékben hajlamosak rendszervisszaállításra vagy funkcionális anomáliákra a szabványos 15kV nélküli érintéses ESD tesztek során, így nem felelnek meg a magas megbízhatóságú alkalmazások követelményeinek.

​2.2 Technikai háttér: Létező megoldások elemzése​

Az elektrostatikus zavar elleni védelem kihívása a meglévő digitális energia-mérőkben elsősorban a fő órajel frekvenciájának tervezéséből ered:

• ​Megoldás 1: Magasfrekvenciás kristályoszcillátor közvetlen csatlakoztatása:​​ A fő vezérlőchip közvetlenül kapcsolódik egy 25MHz-es magasfrekvenciás kristályoszcillátora, ami két külső kompenzációs kondenzert igényel. Bár ez az elrendezés szerkezetileg egyszerű, a chip I/O portjainak (amelyek alacsony fogyasztásra vannak optimalizálva) általában gyenge az ESD elleni ellenállása. A magasfrekvenciás jel érzékeny a zavarodásra ESD impulzusok esetén, ami potenciálisan rendszerösszeomlást okozhat.
• ​Megoldás 2: Alacsonyfrekvenciás kristályoszcillátor és frekvencia-szorzás:​​ Ebben az esetben alacsonyfrekvenciás kristályoszcillátor használatos, mely belső fázistartó hurok (PLL) segítségével magasabb frekvenciára emelkedik. Ez a megközelítés valamelyest javít a közvetlen zavar ellen, de alapvetően nem oldja meg az elektrostatikus kölcsönhatás problémáját, így a zavar elleni teljesítmény nem ideális.

A hagyományos megoldások mindkettő nem tudja garantálni a mérő stabil működését kemény elektromágneses környezetben.

​3. Mérő általános szerkezete és funkciónak​

Ez a megoldás moduláris tervezést alkalmaz, amely hat alapmodulból áll, egy közös tápegység által ellátott. A szerkezet világos, a funkciók jól definiáltak. A modulok kapcsolatai és funkciói a fő vezérlőchiphez a következők:

​4. Főbb technológiai előnyök​

​4.1 Kiváló elektrostatikus zavar elleni képesség​

Ez a megoldás legfontosabb előnye a fő órajel innovatív tervezése. Elhanyagolva a zavarható magasfrekvenciás kristály közvetlen csatlakoztatásának séma, a fő vezérlőchip 32768Hz-es alacsonyfrekvenciás kristályt használ fő frekvencia bemenetként. Mivel az alacsonyfrekvenciás rezgések kis külső sugárzást produkálnak, és kevésbé érzékenyek a külső magasfrekvenciás zajok (mint például az ESD impulzusok) kölcsönhatásaira, a zavar elleni teljesítmény forrásban jelentősen javul. Ez a tervezés sikeresen megoldja a hagyományos mérők problémáját, lehetővé téve a 15kV nélküli érintéses ESD vizsgálat stabil átmenetét, és garantálva a komplex ipari környezetekben való megbízható működést.

​4.2 Egyszerűbb körstruktúra​

A kiválasztott fő vezérlőchip (MSP430F5438A) belső alacsonyfrekvenciás oszcillátor körének beépített kompenzációs kondenzere van. Ez a tervezés kiküszöböli a hagyományos magasfrekvenciás kristály sémában szükséges két külső kompenzációs kondenzert, egyszerűsítve a PCB elrendezést, csökkentve a komponensszámot és anyagköltséget, csökkentve a gyártási varrás bonyodalmaságát, és növelve a termék konzisztenciáját és megbízhatóságát.

​4.3 Magasabb órajel stabilitás​

• ​Stabil rendszer szoftver óra:​​ A 32768Hz-os kristály, frekvenciaszakaszolás után, pontos 1Hz másodperces órajel jelet generál, amely a rendszer szoftver órajelének alapja. Stabilitása és pontossága messze túlszárnyalja a szoftver szimulált vagy magasfrekvenciás szakaszolásból származó órákat.
• ​Stabil mérési óra:​​ Az energia méréshez használt ADC mintavételező óra is ebből a stabil alacsonyfrekvenciás órajelből származik, garantálva a feszültség, áram, teljesítmény és más elektromos paraméterek mintavételezésének és számításának pontosságát. Ez minőségi energiakezelés adatbázisát biztosítja.

​5. Rendszer működési elve​

A mérő működési folyamata a következő:

1. ​Bekapcsolás:​​ A Tápegység AC bemenetet vesz fel az AC-DC segédellátás révén, amely átalakítja és izolálja 5V, 3.3V, és izolált 5V feszültségekre. Ezek ellátják a Jel-elkészítő kör, a Fő vezérlő rendszert (beleértve a Valós idejű órát, a Tárolót, a Kijelző irányítót), és a Kommunikációs interfészt, hogy minden modul készen álljon a működésre.
2. ​Jel-elkészítés:​​ A Jel-elkészítő kör modul folyamatosan felveszi a háromfázisú hálózatból származó feszültség- és áramjeleket. A feldolgozás (pl. osztás, áramátalakítás, erősítés operációs erősítővel, szintkonverzió) után analóg jelek formájában továbbítja a hálózati paramétereket a Fő vezérlőchipre.
3. ​Jel-feldolgozás:​​ A Fő vezérlőchip először az integrált AD konvertersel analóg jeleket digitalizál. Ezután, a Valós idejű óra időbélyeggel kombinálva, számításokat és elemzéseket végez a digitális jeleken, hogy a szükséges elektromos paramétereket (pl. effektív feszültség/áram, aktív/reactív teljesítmény, teljesítményfaktor, frekvencia) kiszámolja.
4. ​Adat kimenet & interakció:​​
• ​Tárolás:​​ A feldolgozott adatokat a Belső információtárolóba menti, ahol történelmi adatok lekérdezésére és terhelés elemzésére használhatók.
• ​Kijelzés:​​ Az adatokat azonos időben a Kijelző irányító modulnak továbbítja, hogy a LCD kijelzőn valós időben frissítse őket.
• ​Kommunikáció:​​ Az adatokat valós időben a távoli figyelő központba továbbítja az RS485 Kommunikációs interfészen keresztül, a távoli figyelés érdekében.
• ​Irányítás:​​ A felhasználók helyileg gombokkal a kijelző modulon keresztül lekérdezhetik az adatokat vagy beállíthatják a paramétereket.