15kV ESD odporn digitalni merilnik moči z poenostavljenim vezjem in visoko stabilnostjo

 1. Pregled rešitve​

To rešitev je namenjena zagotavljanju visoko zmogljive in zanesljive digitalne merilne naprave za električno energijo. Sredotoči se na inovativno krmilno časovni obvod za glavni nadzorni čip, ki učinkovito reši notranje šibke točke tradicionalnih digitalnih merilnikov glede odpornosti na elektrostatično motnjo (ESD). Merilnik lahko stabilno prehaja preskus nekontaktnega elektrostatičnega razpoložnega naboja 15kV, hkrati pa ima prednosti, kot so poenostavljena struktura obvoda in visoka stabilnost časovnega obvoda. Ustreza industrijskim scenarijem nadzora električne energije, ki zahtevajo strogo zanesljivost in stabilnost.

​2. Bolniščine industrije & Tehnična ozadja​

​2.1 Bolniščina industrije: Šibka odpornost na elektrostatično motnjo​

V industrijskih okoljih je elektrostatična razpoložnica (ESD) ena od glavnih vzrokov za odpoved elektronske opreme. Tradicionalni digitalni merilniki za električno energijo so zaradi motenj med standardnimi preskusi nekontaktnega ESD 15kV pogosto žrtve ponastavitve sistema ali funkcionalnih nepravilnosti, kar pomeni, da ne izpolnjujejo zahtev za uporabo z visoko zanesljivostjo.

​2.2 Tehnično ozadje: Analiza obstoječih rešitev​

Izazov odpornosti na ESD v obstoječih digitalnih merilnikih za električno energijo predvsem izvira iz njihovega osnovnega časovnega frekvenčnega oblikovanja:

• ​Rešitev 1: Direktna vez visokofrekvenčnega kristalnega oscilatorja:​​ Glavni nadzorni čip je direktno povezan s 25MHz visokofrekvenčnim kristalnim oscilatorjem, kar zahteva dva zunanjih kompenzacijska kondenzatorja. Čeprav je struktura preprosta, ta dizajn trpi zaradi slabe odpornosti na ESD pri I/O vhodih čipa (izdelanih za nizko porabo), saj visokofrekvenčni signal lahko pod ESD impulsi postane žrtev motenj, kar lahko povzroči propade sistema.
• ​Rešitev 2: Nizkofrekvenčni kristalni oscilator s frekvenčnim množenjem:​​ Uporablja se nizkofrekvenčni kristalni oscilator, ki je s frekvenčnim množenjem preko notranjega fazno zaprtega zanka (PLL) pretvorjen v visokofrekvenčni signal. Ta pristop omogoča nekaj izboljšava glede neposredne motnje, a ne reši temeljnega problema elektrostatskega združevanja, kar pomeni, da je odpornost na motnje manj idealna.

Oba tradicionalna pristopa imata težave pri zagotavljanju stabilnega delovanja merilnika v zahtevnih elektromagnetnih okoljih.

​3. Splošna struktura in funkcija merilnika​

Merilnik te rešitve uporablja modulski dizajn, sestavljen iz šestih ključnih modulov, ki jih napaja univerzalni modul za oskrbo s strmo. Struktura je jasna, funkcije dobro definirane. Povezave in funkcije posameznih modulov s glavnim nadzornim čipom so naslednje:

​4. Ključne tehnične prednosti​

​4.1 Izstopajoča odpornost na elektrostatično motnjo​

Najpomembnejša prednost te rešitve je inovativno oblikovanje osnovnega časovnega obvoda. Z opustitvijo sheme direktnega povezovanja s visokofrekvenčnim kristalnim oscilatorjem, glavni nadzorni čip uporablja 32768Hz nizkofrekvenčni kristal kot osnovni frekvenčni vhod. Ker nizkofrekvenčni oscilatori imajo nizko zunanjo radijsko intenziteto in so manj občutljivi na združevanje z zunanjo visokofrekvenčno motnjo (kot so ESD impulzi), je odpornost na motnje bistveno izboljšana na viru. Ta dizajn uspešno reši bolniščino tradicionalnih merilnikov, omogoča stabilno prehod preskuševalne metode 15kV nekontaktnega ESD in zagotavlja zanesljivo delovanje v kompleksnih industrijskih okoljih.

​4.2 Poenostavljena struktura obvoda​

Izbrani glavni nadzorni čip (MSP430F5438A) ima notranji kompenzacijski kondenzator za svoj nizkofrekvenčni oscilator. Ta dizajn odstrani potrebo po dveh zunanji kompenzacijskih kondenzatorjih, ki so zahtevani v tradicionalnih shemah s visokofrekvenčnimi kristalnimi oscilatorji, poenostavi razporeditev PCB, zmanjša število komponent in materialne stroške, zmanjša zapletenost proizvodnje in varla, ter poveča doslednost in zanesljivost izdelka.

​4.3 Višja stabilnost časovnega obvoda​

• ​Stabilni sistemski programski časovni obvod:​​ 32768Hz kristal, po frekvenčnem deljenju, lahko ustvari točen 1Hz sekundni časovni signal, ki služi kot osnova za programski časovni obvod sistema. Njegova stabilnost in natančnost sta daleč boljše od časovnih obvodov, generiranih s simulacijo programskega kode ali frekvenčnim deljenjem visokih frekvenc.
• ​Stabilni merilni časovni obvod:​​ Vzorčni časovni obvod ADC, uporabljen za merjenje energije v merilniku, izvira tudi iz tega stabilnega nizkofrekvenčnega časovnega obvoda, kar zagotavlja natančnost vzorčenja in izračuna napetosti, toka, moči in drugih električnih parametrov. To zagotavlja podatkovno osnovo za visokokakovostno upravljanje energije.

​5. Delovanje sistema​

Delovni tok merilnika je naslednji:

1. ​Vključitev napetosti:​​ Modul za oskrbo s strmo prejme AC vhod preko AC-DC pomočne oskrbe s strmo, ki ga pretvori in odsevi v 5V, 3.3V in odsevljeno 5V napetosti. Te napetosti oskrbujejo modul za zajem signala, glavni nadzorni sistem (vključno s realnim časom, pomnilnikom, nadzornim modulom za prikaz) in komunikacijski vmesnik, kar pripelje vse module v stanje pripravljenosti.
2. ​Zajem signala:​​ Modul za zajem signala stalno zajema napetostne in tokovne signale iz trofaznega električnega omrežja. Po obdelavi (na primer, deljenje, pretvorba toka, posiljevanje s posiljevalnimi obvodi, pretvorba ravni) pošilja analogne signale, ki predstavljajo parametre omrežja, na glavni nadzorni čip.
3. ​Obdelava signala:​​ Glavni nadzorni čip najprej pretvori prejeti analogne signale v digitalne signale z integriranim AD pretvornikom. Nato, skupaj s časovnim žigom iz realnega časa, izvaja izračune in analizo digitalnih signalov, da izvede zahtevane električne parametre (na primer, RMS napetost/tok, dejanska/reaktivna moč, faktor moči, frekvenca).
4. ​Izhod podatkov & Interakcija:​​
• ​Shranjevanje:​​ Obdelani podatki so shranjeni v notranji pomnilnik podatkov za iskanje zgodovinskih podatkov in analizo obremenitve.
• ​Prikaz:​​ Podatki so hkrati poslani na modul za nadzor prikaza za trenutno posodabljanje na LCD prikazu.
• ​Komunikacija:​​ Podatki so v realnem času preneseni na oddaljeni nadzorni center preko RS485 komunikacijskega vmesnika za oddaljen nadzor.
• ​Nadzor:​​ Uporabniki lahko lokalno upravljajo s merilnikom preko gumba na modulu za prikaz, da poizvedujejo podatke ali nastavljajo parametre.