15kV ESD imun digitalni merilo snage sa pojednostavljenom šemom i visokom stabilnošću

 1. Pregled rešenja​

Ovo rešenje ima za cilj da pruži dizajn digitalnog merila snage visokih performansi i pouzdanosti. Srž rešenja leži u inovativnom dizajnu osnovnog časovačkog kruga za glavni kontrolni čip, koji efikasno rešava suštinske slabosti tradicionalnih digitalnih merila snage u pogledu otpornosti na elektrostatiku (ESD). Merilo može stabilno proći test nekontaktnog elektrostatičkog ispitivanja od 15kV, a istovremeno poseduje prednosti poput pojednostavljenog strukture kruga i visoke stabilnosti časovačkog signala. Odnosi se na industrijske scene nadzora snage koje zahtevaju strogu pouzdanost i stabilnost.

​2. Bolne tačke industrije & Tehnički pozadina​

​2.1 Bolna tačka industrije: Slaba mogućnost odbijanja elektrostatike​

U industrijskim okruženjima, elektrostatičko ispitivanje (ESD) je vodeći uzrok kvara elektronskog opreme. Tradicionalna digitalna merila snage su veoma podložna resetovanju sistema ili funkcijskim anomalijama zbog interferencije tokom standardnog nekontaktnog ESD testa od 15kV, što ne ispunjava zahteve visoko pouzdanih aplikacija.

​2.2 Tehnička pozadina: Analiza postojećih rešenja​

Izazov odbijanja ESD-a u postojećim digitalnim merilima snage uglavnom potiče iz dizajna njihove osnovne časovačke frekvencije:

• ​Rešenje 1: Direktna konekcija visokofrekventnog kristalnog oscilatora:​​ Glavni kontrolni čip je direktno povezan sa visokofrekventnim kristalnim oscilatorom od 25MHz, što zahteva dva spoljašnja kompenzacijna kondenzatora. Iako je struktura jednostavna, ovaj dizajn trpi od toga što I/O ulazi čipa (izrađeni za nisku potrošnju energije) obično imaju slabu otpornost na ESD. Visokofrekventni signal je podložan interferenciji pod ESD impulsi, što može dovesti do padanja sistema.
• ​Rešenje 2: Niskofrekventni kristalni oscilator sa množenjem frekvencije:​​ Koristi se niskofrekventni kristalni oscilator i množi se na visoku frekvenciju preko unutrašnjeg faza-zaključanog petlje (PLL). Ovaj pristup nudi neku poboljšanu otpornost na direktnu interferenciju, ali ne rešava temeljni problem elektrostatskog kopliranja, što dovodi do manje od idealne performanse u odbijanju interferencije.

Oba tradicionalna rešenja teše da obezbede stabilno funkcionisanje merila u teškim elektromagnetnim okruženjima.

​3. Ukupna struktura i funkcija merila​

Ovo rešenje merila koristi modularni dizajn sastavljen od šest ključnih modula, koji su ishranjivani od strane unifikovanog modula napajanja. Struktura je jasna, a funkcije dobro definisane. Veze i funkcije svakog modula sa glavnim kontrolnim čipom su sledeće:

​4. Ključne tehničke prednosti​

​4.1 Superiorna mogućnost odbijanja elektrostatike​

Najkritičnija prednost ovog rešenja jeste inovativni dizajn osnovnog časovačkog kruga. Odbacivši sklon scheme direktnog povezivanja visokofrekventnog kristalnog oscilatora, glavni kontrolni čip koristi niskofrekventni kristal od 32768Hz kao osnovni ulaz frekvencije. Zbog toga što niskofrekventni oscilatorski signali imaju nisku eksternu intenzitet zračenja i su manje podložni kopliranju interferencije od eksternog visokofrekventnog šuma (poput ESD impulsi), performanse odbijanja interferencije su značajno poboljšane na izvoru. Ovaj dizajn uspešno rešava bolnu tačku tradicionalnih merila, omogućavajući stabilno prolaženje testa nekontaktnog ESD od 15kV i obezbeđujući pouzdano funkcionisanje u kompleksnim industrijskim okruženjima.

​4.2 Pojednostavljeni strukturni krug​

Izabrani glavni kontrolni čip (MSP430F5438A) ima unutrašnji kompenzacijni kondenzator za svoj interni niskofrekventni oscilatorski krug. Ovaj dizajn eliminira potrebu za dva spoljašnja kompenzacijna kondenzatora potrebna u tradicionalnim shemama visokofrekventnog kristalnog oscilatora, pojednostavljujući PCB raspoređivanje, smanjujući broj komponenata i materijalne troškove, smanjujući složenost produkcije i povećavajući konzistentnost i pouzdanost proizvoda.

​4.3 Viša stabilnost časovačkog signala​

• ​Stabilni softverski čas sistema:​​ Kristal od 32768Hz, nakon deljenja frekvencije, može generisati precizan sekundni časovni signal od 1Hz, koji služi kao osnova za softverski čas sistema. Njegova stabilnost i preciznost su daleko superiorni u odnosu na časove generisane simulacijom softvera ili deljenjem visokih frekvencija.
• ​Stabilni čas merenja:​​ ADC odbirni čas korišćen za merenje energije u merilu takođe potiče iz ovog stabilnog niskofrekventnog časa, obezbeđujući preciznost odbirke i izračunavanja električnih parametara poput napona, struje, snage i drugih. Ovo pruža podatkovnu osnovu za kvalitetno upravljanje energijom.

​5. Princip rada sistema​

Radni princip merila je sledeći:

1. ​Uključivanje napajača:​​ Modul napajanja preko AC-DC pomoćnog izvora napajanja prima AC unos, pretvara i izoluje ga u napone od 5V, 3.3V i izolovano 5V. Ovi naponi snabdevaju Modul prihvatanja signala, Glavni kontrolni sistem (uključujući Stvarno vreme, Memoriju, Kontrolu displeja) i Komunikacijski interfejs, redom, dovodeći sve module u stanje spremnosti.
2. ​Prihvatanje signala:​​ Modul prihvatanja signala neprestano prihvata signale napona i struje iz trofaznog električnog sistema. Nakon obrade (npr. deljenje, transformacija struje, pojačanje operacionim pojačavajućim krugom, konverzija nivoa) šalje analogni signale koji predstavljaju parametre električnog sistema na glavni kontrolni čip.
3. ​Obrada signala:​​ Glavni kontrolni čip prvo pretvara primljene analogni signale u digitalne signale korišćenjem integriranog AD pretvarača. Zatim, kombinovano sa vremenskom oznakom iz Stvarnog vremena, vrši izračunavanja i analizu digitalnih signala kako bi se dobile potrebne električne parametre (npr. RMS napona/struje, aktivna/reaktivna snaga, faktor snage, frekvencija).
4. ​Izlaz podataka & Interakcija:​​
• ​Skidanje:​​ Procesirani podaci se čuvaju u Unutrašnjoj memoriji informacija za pretraživanje istorijskih podataka i analizu opterećenja.
• ​Prikaz:​​ Podaci se istovremeno šalju na Modul kontrole displeja za stvarno-vremensko ažuriranje na LCD displeju.
• ​Komunikacija:​​ Podaci se u stvarnom vremenu šalju na daljinski nadzorni centar preko RS485 Komunikacijskog interfejsa za daljinski nadzor.
• ​Kontrola:​​ Korisnici mogu lokalno operirati merilom putem dugmića na modulu displeja kako bi pretraživali podatke ili postavljali parametre.