15kV ESD имун дизајн на дигитален енергија мерење со поедноставена шема и висока стабилност

 1. Преглед на решението​

Ова решение има за цел да пружи дизајн на дигитален мерач на енергија со висока перформанса и надежност. Кључниот дел на решението е иновативниот дизајн на главниот часовник за главниот контролен чип, кој ефективно ги решава внатрешните слабости на традиционалните дигитални мерачи на енергија во однос на противодействието на електростатичка интерференција (ESD). Мерачот може стабилно да мине тестот на 15кВ не-контактна електростатичка разрядка, истовремено имајќи предности како поедноставена структура на колата и висока стабилност на часовникот. Подходи за индустријски сценарија за мониторинг на енергијата кои бараат строга надежност и стабилност.

​2. Индустријски проблеми и технички позадина​

​2.1 Индустријски проблем: Слаба способност за противодействие на електростатичка интерференција​

Во индустријските услови, електростатичката разрядка (ESD) е еден од водечките причини за повреда на електронската опрема. Традиционалните дигитални мерачи на енергија се многу чувствителни на системски ресет или функционални аномалии поради интерференција во стандардните 15кВ не-контактни ESD тестови, што не задоволува потребите на примените со висока надежност.

​2.2 Техничка позадина: Анализа на постојачки решения​

Проблемот со противодействието на ESD во постојачките дигитални мерачи на енергија вешто потекнува од нивниот дизајн на главната фреквенција на часовникот:

• ​Решение 1: Директна врска на високочестотен кристален осцилатор:​​ Главниот контролен чип е директно поврзан со високочестотен кристален осцилатор од 25МХц, со потреба од две спојни капацитети. Иако структурно е едноставно, овој дизајн страда од тоа што I/O портите на чипот (дизајнирани за ниска консумација) обично имаат слаба отпорност на ESD. Високочестотниот сигнал е подложен на интерференција под ESD пулси, што може да предизвика системски крах.
• ​Решение 2: Нискочестотен кристален осцилатор со множење на фреквенција:​​ Се користи нискочестотен кристален осцилатор и се множи до висока фреквенција преку вграден Фазен Поврзан Ланац (PLL). Овој пристап понудува некоја подобра противодействија на директната интерференција, но не може да реши основниот проблем на електростатичката куплување, што доведува до помалку идеална противодействија на интерференција.

И двете традиционални решения немаат успех во гаранцијата на стабилна работа на мерачот во тешки електромагнетни околини.

​3. Обопштената структура и функција на мерачот​

Овој мерач во решението користи модуларен дизајн, состојан од шестте јадни модули, кои се напаѓаат од унифициран модул за напаѓање. Структурата е јасна, а функциите се добро дефинирани. Врските и функциите на секој модул со главниот контролен чип се следниве:

​4. Јадни технички предности​

​4.1 Супериорна способност за противодействие на електростатичка интерференција​

Најкритичната предност на овој модел е иновативниот дизајн на главниот часовник. Откажувајќи го интерференцијата на високочестотен кристален осцилатор, главниот контролен чип користи 32768Hz нискочестотен кристал како главна фреквенција за вход. Бидејќи нискочестотните осцилаторски сигнали имаат ниска екстерна радијација и се помалку подложни на куплување од екстерни високочестотни шумови (како ESD пулси), противодействијата на интерференција е значително подобрената на извор. Овој дизајн успешно решава болната точка на традиционалните мерачи, дозволувајќи стабилно минување на 15кВ не-контактни ESD тестови и гарантира надежна работа во комплексни индустријски околини.

​4.2 Поедноставена структура на колата​

Избраниот главен контролен чип (MSP430F5438A) има вграден капацитет за својата внатрешна нискочестотна осцилаторска кола. Овој дизајн елиминира потребата од два спојни капацитети кои се потребни во традиционалните високочестотни кристални схеми, поедноставувајќи PCB распоред, намалувајќи бројот на компоненти и материјални трошоци, намалувајќи комплексноста на производство сварување и подобрувајќи конзистентноста и надежноста на продуктот.

​4.3 Повисока стабилност на часовникот​

• ​Стабилен системски софтверски часовник:​​ 32768Hz кристал, после делење на фреквенција, може да генерира точен 1Hz секундарен часовничен сигнал, служејќи како основа за системскиот софтверски часовник. Неговата стабилност и точност се далеку подобри од часовници генерирања преку софтверско симулација или високочестотно делење.
• ​Стабилен мерачки часовник:​​ ADC узоречен часовник користен за мерење на енергија во мерачот исто така потекнува од овој стабилен нискочестотен часовник, што гарантира точноста на узореване и пресметување на напон, струја, моќ и други електрични параметри. Ова пружа податочна основа за висококвалитетно управување со енергија.

​5. Принцип на работа на системот​

Работниот проток на мерачот е следниов:

1. ​Напаѓање:​​ Модулот за напаѓање прими AC вход преку AC-DC помошен напон, конвертирајќи го и изолирајќи го во 5V, 3.3V, и изолован 5V напони. Овие напони напаѓаат модулот за собирање на сигнали, главниот контролен систем (вклучувајќи го Реалниот часовник, Меморија, Модул за контрола на приказ), и комуникациониот интерфејс, донесувајќи ги сите модули во готово состојба.
2. ​Собирање на сигнали:​​ Модулот за собирање на сигнали непрекинато собирава напонски и струјни сигнали од трофазната електрична мрежа. Последователно, по процесирање (како деление, трансформација на струја, усилување со операционен усилувач, конверзија на ниво), испраќа аналогни сигнали што ги претставуваат параметрите на мрежата на главниот контролен чип.
3. ​Обработка на сигнали:​​ Главниот контролен чип прво конвертира примиените аналогни сигнали во цифрови сигнали со својот интегриран AD конвертер. Потоа, комбиниран со временскиот печат од Реалниот часовник, извршува пресметки и анализа на цифровите сигнали за да добие потребните електрични параметри (како RMS напон/струја, активна/реактивна моќ, фактор на моќ, фреквенција).
4. ​Излез на податоци и интеракција:​​
• ​Чување:​​ Процесирани податоци се чуваат во Внатрешната информација меморија за историско пребарување на податоци и анализа на оптерање.
• ​Приказ:​​ Податоците се истовремено испраќаат на модулот за контрола на приказ за реално време ажурирање на LCD приказ.
• ​Комуникација:​​ Податоците се ислачуваат во реално време на удален мониторинг центар преку RS485 комуникациониот интерфејс за удален мониторинг.
• ​Контрола:​​ Корисниците можат локално да работат со мерачот преку копчиња на модулот за приказ за пребарување на податоци или поставување на параметри.