Дизайн цифрового измерителя мощности с упрощенной схемой и высокой стабильностью, защищенный от ЭСД 15 кВ

 1. Обзор решения​

Это решение направлено на предоставление высокопроизводительного и надежного цифрового измерителя электроэнергии. Сердцем решения является инновационная схема основного генератора тактовых импульсов для основного контроллера, которая эффективно решает врожденные недостатки традиционных цифровых измерителей электроэнергии в отношении защиты от электростатических помех (ESD). Измеритель может стабильно проходить тест на несвязанный электростатический разряд 15 кВ, а также обладает преимуществами, такими как упрощенная структура схемы и высокая стабильность тактового сигнала. Он подходит для промышленных сценариев мониторинга электроэнергии, требующих строгой надежности и стабильности.

​2. Болевые точки отрасли и технический фон​

​2.1 Болевая точка отрасли: Слабая защита от электростатических помех​

В промышленных условиях электростатический разряд (ESD) является одной из главных причин отказа электронного оборудования. Традиционные цифровые измерители электроэнергии склонны к системным сбросам или функциональным аномалиям из-за помех во время стандартных тестов на несвязанный электростатический разряд 15 кВ, что не соответствует требованиям высоконадежных применений.

​2.2 Технический фон: Анализ существующих решений​

Проблема защиты от ESD в существующих цифровых измерителях электроэнергии в основном связана с их основной частотой генерации тактовых сигналов:

• ​Решение 1: Прямое подключение высокочастотного кварцевого резонатора:​​ Основной контроллер напрямую подключен к высокочастотному кварцевому резонатору 25 МГц, требуя двух внешних конденсаторов компенсации. Хотя структура проста, этот дизайн страдает от слабой защиты от ESD на портах ввода-вывода (спроектированных для низкого энергопотребления) чипа. Высокочастотный сигнал подвержен воздействию при ESD-импульсах, что может вызвать сбои системы.
• ​Решение 2: Низкочастотный кварцевый резонатор с умножением частоты:​​ Используется низкочастотный кварцевый резонатор, который умножается до высокой частоты с помощью внутреннего фазового детектора (PLL). Этот подход предлагает некоторое улучшение против прямых помех, но не решает проблему электростатического сопряжения, что приводит к менее чем идеальной защите от помех.

Оба традиционных решения сталкиваются с трудностями в обеспечении стабильной работы измерителя в жестких электромагнитных условиях.

​3. Общая структура и функции измерителя​

Измеритель этого решения использует модульную конструкцию, состоящую из шести основных модулей, питаемых унифицированным модулем питания. Структура четкая, а функции хорошо определены. Соединения и функции каждого модуля с основным контроллером следующие:

​4. Основные технические преимущества​

​4.1 Высокая защита от электростатических помех​

Наиболее важным преимуществом этого решения является инновационный дизайн основного генератора тактовых импульсов. Отказавшись от схемы прямого подключения высокочастотного кварцевого резонатора, основной контроллер использует низкочастотный кварцевый резонатор 32768 Гц в качестве основного входа частоты. Поскольку низкочастотные сигналы имеют низкую интенсивность внешнего излучения и менее подвержены воздействию внешних высокочастотных шумов (например, ESD-импульсов), защита от помех значительно улучшена на уровне источника. Этот дизайн успешно решает болевую точку традиционных измерителей, позволяя стабильно проходить тест на несвязанный электростатический разряд 15 кВ и обеспечивая надежную работу в сложных промышленных условиях.

​4.2 Упрощенная структура схемы​

Выбранный основной контроллер (MSP430F5438A) имеет встроенные конденсаторы компенсации для его внутреннего низкочастотного генератора. Этот дизайн исключает необходимость двух внешних конденсаторов компенсации, которые требуются в традиционных схемах с высокочастотным кварцевым резонатором, упрощая размещение на печатной плате, снижая количество компонентов и затраты на материалы, уменьшая сложность пайки при производстве и повышая согласованность и надежность продукта.

​4.3 Более высокая стабильность тактового сигнала​

• ​Стабильный программный тактовый сигнал системы:​​ Кварц 32768 Гц, после деления частоты, может генерировать точный 1 Гц сигнал секунд, служащий основой для программного тактового сигнала системы. Его стабильность и точность значительно превосходят тактовые сигналы, генерируемые программным моделированием или высокочастотным делением.
• ​Стабильный тактовый сигнал измерения:​​ Тактовый сигнал АЦП, используемый для измерения энергии в измерителе, также происходит от этого стабильного низкочастотного генератора, обеспечивая точность измерения и вычисления таких электрических параметров, как напряжение, ток, мощность и т.д. Это предоставляет основу данных для качественного управления энергией.

​5. Принцип работы системы​

Рабочий процесс измерителя следующий:

1. ​Включение питания:​​ Модуль питания получает переменный ток через вспомогательное питание AC-DC, преобразуя и изолируя его в 5 В, 3.3 В и изолированные 5 В. Эти напряжения подаются на модуль сбора сигналов, основную систему управления (включая реальное время, память, управление дисплеем) и интерфейс связи соответственно, приводя все модули в состояние готовности.
2. ​Сбор сигналов:​​ Модуль сбора сигналов постоянно собирает сигналы напряжения и тока из трехфазной сети. После обработки (например, деления, трансформации тока, усиления операционными усилителями, преобразования уровня) он отправляет аналоговые сигналы, представляющие параметры сети, на основной контроллер.
3. ​Обработка сигналов:​​ Основной контроллер сначала преобразует полученные аналоговые сигналы в цифровые с помощью встроенного АЦП. Затем, объединив их с меткой времени от реального времени, он выполняет вычисления и анализ цифровых сигналов, чтобы получить необходимые электрические параметры (например, RMS напряжение/ток, активная/реактивная мощность, коэффициент мощности, частота).
4. ​Выход данных и взаимодействие:​​
• ​Хранение:​​ Обработанные данные сохраняются во внутренней памяти информации для запроса исторических данных и анализа нагрузки.
• ​Отображение:​​ Данные одновременно отправляются на модуль управления дисплеем для обновления в реальном времени на ЖК-дисплее.
• ​Связь:​​ Данные загружаются в реальном времени в удаленный центр мониторинга через интерфейс связи RS485 для удаленного мониторинга.
• ​Управление:​​ Пользователи могут локально управлять измерителем через кнопки на модуле дисплея для запроса данных или установки параметров.