Projekt miernika mocy cyfrowego z odpornością na wyładowania elektryczne 15kV o uproszczonej obwodzie i wysokiej stabilności

 1. Przegląd rozwiązania​

To rozwiązanie ma na celu zapewnienie projektu cyfrowego licznika energii o wysokiej wydajności i niezawodności. Kluczowe znaczenie w rozwiązaniu ma innowacyjny projekt obwodu zegara głównego dla układu sterującego, który efektywnie rozwiązuje wrodzone słabe strony tradycyjnych cyfrowych liczników energii pod względem odporności na zakłócenia elektrostatyczne (ESD). Licznik może stabilnie przetrwać test niewielkiego kontaktowego wyładowania elektrostatycznego 15kV, a także posiada zalety takie jak uproszczona struktura obwodu i wysoka stabilność zegara. Jest odpowiedni do scenariuszy monitorowania mocy przemysłowej, które wymagają surowej niezawodności i stabilności.

​2. Bóle branżowe & tło techniczne​

​2.1 Ból branżowy: Słaba odporność na zakłócenia elektrostatyczne​

W środowiskach przemysłowych wyładowanie elektrostatyczne (ESD) jest jednym z głównych powodów awarii sprzętu elektronicznego. Tradycyjne cyfrowe liczniki energii są bardzo podatne na resetowanie systemu lub nietypowe zachowania funkcji podczas standardowych testów ESD 15kV bez kontaktu, co oznacza, że nie spełniają wymagań aplikacji o wysokiej niezawodności.

​2.2 Tło techniczne: Analiza istniejących rozwiązań​

Wyzywanie ESD w istniejących cyfrowych licznikach energii głównie wynika z projektu częstotliwości zegara głównego:

• ​Rozwiązanie 1: Bezpośrednie połączenie z wysokoczęstotliwościowym oscylatorem kwarcowym:​​ Układ sterujący jest bezpośrednio połączony z wysokoczęstotliwościowym oscylatorem kwarcowym 25MHz, wymagającym dwóch zewnętrznych kondensatorów kompensacyjnych. Mimo prostoty konstrukcyjnej, ten projekt cierpi na to, że porty wejścia/wyjścia (oprogramowane do niskiego poboru prądu) mają ogólnie słabą odporność na ESD. Sygnał wysokoczęstotliwościowy jest podatny na zakłócenia pod wpływem impulsów ESD, co potencjalnie może prowadzić do awarii systemu.
• ​Rozwiązanie 2: Niskoczęstotliwościowy oscylator kwarcowy z mnożeniem częstotliwości:​​ Używany jest niskoczęstotliwościowy oscylator kwarcowy, który jest mnożony do wysokiej częstotliwości przez wewnętrzny fazowy układ zamykający pętlę (PLL). Ten podejście oferuje pewne poprawy wobec bezpośrednich zakłóceń, ale nie rozwiązuje fundamentalnie problemu sprzężenia elektrostatycznego, co prowadzi do mniej niż idealnej wydajności przeciwko zakłóceniom.

Oba tradycyjne rozwiązania mają trudności z zapewnieniem stabilnego działania licznika w agresywnych środowiskach elektromagnetycznych.

​3. Ogólna struktura i funkcja licznika​

Licznik w tym rozwiązaniu przyjmuje modułową konstrukcję, składającą się z sześciu głównych modułów zasilanych przez jednolity moduł zasilania. Struktura jest przejrzysta, a funkcje są dobrze zdefiniowane. Połączenia i funkcje każdego modułu z układem sterującym są następujące:

​4. Kluczowe techniczne zalety​

​4.1 Wyższa odporność na zakłócenia elektrostatyczne​

Najważniejszą zaletą tego rozwiązania jest innowacyjny projekt zegara głównego. Porzucając podatny na zakłócenia schemat bezpośredniego połączenia z wysokoczęstotliwościowym oscylatorem kwarcowym, układ sterujący używa niskoczęstotliwościowego oscylatora kwarcowego 32768Hz jako wejścia częstotliwości głównego. Ponieważ sygnały niskoczęstotliwościowe mają niską intensywność promieniowania zewnętrznego i są mniej podatne na sprzężenie zakłóceń z zewnętrznym hałasem wysokoczęstotliwościowym (takim jak impulsy ESD), wydajność przeciwko zakłóceniom jest znacznie poprawiona u źródła. Ten projekt pomyślnie rozwiązuje ból punktowy tradycyjnych liczników, umożliwiając stabilne przeprowadzenie testu ESD 15kV bez kontaktu i zapewniając niezawodne działanie w skomplikowanych środowiskach przemysłowych.

​4.2 Uproszczona struktura obwodu​

Wybrany układ sterujący (MSP430F5438A) ma wbudowany kondensator kompensacyjny dla wewnętrznego obwodu oscylatora niskoczęstotliwościowego. Ten projekt eliminuje dwa zewnętrzne kondensatory kompensacyjne wymagane w tradycyjnych schematach wysokoczęstotliwościowych, upraszczając układ PCB, zmniejszając liczbę komponentów i koszty materiałów, zmniejszając złożoność spawania produkcyjnego i zwiększając spójność i niezawodność produktu.

​4.3 Wyższa stabilność zegara​

• ​Stabilny zegar oprogramowania systemu:​​ Po podzieleniu częstotliwości 32768Hz można wygenerować precyzyjny sygnał zegara sekund 1Hz, stanowiący podstawę zegara oprogramowania systemu. Jego stabilność i dokładność są znacznie lepsze niż zegary generowane przez symulację oprogramowania lub podział wysokiej częstotliwości.
• ​Stabilny zegar pomiarowy:​​ Zegar próbkujący ADC używany do pomiaru energii w liczniku również pochodzi z tego stabilnego zegara niskoczęstotliwościowego, zapewniając dokładność próbkowania i obliczania napięcia, prądu, mocy i innych parametrów elektrycznych. To zapewnia podstawę danych dla wysokiej jakości zarządzania energią.

​5. Zasada działania systemu​

Przepływ pracy licznika jest następujący:

1. ​Włączenie zasilania:​​ Moduł zasilania otrzymuje wejście AC przez zasilanie AC-DC pomocnicze, konwertując i izolując je na napięcia 5V, 3.3V i izolowane 5V. Te zasilają moduł akwizycji sygnałów, główny system sterujący (w tym zegar czasu rzeczywistego, pamięć, moduł kontroli wyświetlacza) i interfejs komunikacyjny, przygotowując wszystkie moduły do gotowości.
2. ​Akwizycja sygnałów:​​ Moduł akwizycji sygnałów ciągle akwizytuje sygnały napięcia i prądu z trójfazowej sieci energetycznej. Po przetworzeniu (np. dzieleniu, transformacji prądu, wzmacnianiu przez wzmacniacze operacyjne, konwersji poziomów) wysyła sygnały analogowe reprezentujące parametry sieci do układu sterującego.
3. ​Przetwarzanie sygnałów:​​ Układ sterujący najpierw konwertuje odebrane sygnały analogowe na sygnały cyfrowe za pomocą wbudowanego przetwornika AD. Następnie, łącząc się z sygnaturą czasową z zegara czasu rzeczywistego, wykonuje obliczenia i analizę sygnałów cyfrowych, aby uzyskać wymagane parametry elektryczne (np. skuteczne napięcie/prąd, czynna/bierna moc, współczynnik mocy, częstotliwość).
4. ​Wyjście danych i interakcja:​​
• ​Przechowywanie:​​ Przetworzone dane są zapisywane w wewnętrznej pamięci informacji do zapytań dotyczących danych historycznych i analizy obciążeń.
• ​Wyświetlanie:​​ Dane są jednocześnie wysyłane do modułu kontroli wyświetlacza, aby aktualizować wyświetlanie LCD w czasie rzeczywistym.
• ​Komunikacja:​​ Dane są przesyłane w czasie rzeczywistym do zdalnego centrum monitorowania za pomocą interfejsu komunikacyjnego RS485, umożliwiając zdalne monitorowanie.
• ​Sterowanie:​​ Użytkownicy mogą lokalnie obsługiwać licznik za pomocą przycisków na module wyświetlacza, aby zapytać o dane lub ustawić parametry.