การออกแบบมิเตอร์ไฟฟ้าดิจิตอลทนต่อ ESD 15kV พร้อมวงจรที่ถูกย่นย่อและมีความเสถียรสูง

 1. ภาพรวมของโซลูชัน​

โซลูชันนี้มุ่งเพื่อให้การออกแบบมิเตอร์ไฟฟ้าดิจิทัลที่มีประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้สูง หัวใจสำคัญของโซลูชันอยู่ในการออกแบบวงจรนาฬิกาหลักที่เป็นนวัตกรรมสำหรับชิปควบคุมหลัก ซึ่งสามารถแก้ไขข้อเสียที่มีอยู่ในมิเตอร์ไฟฟ้าดิจิทัลแบบดั้งเดิมเกี่ยวกับการป้องกันการรบกวนจากไฟฟ้าสถิต (ESD) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ มิเตอร์สามารถผ่านการทดสอบการปล่อยไฟฟ้าสถิตแบบไม่สัมผัส 15kV ได้อย่างมั่นคง พร้อมทั้งมีข้อดีเช่นโครงสร้างวงจรที่เรียบง่ายและความมั่นคงของนาฬิกาที่สูง เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมการตรวจสอบพลังงานในภาคอุตสาหกรรมที่ต้องการความเชื่อถือได้และมั่นคงอย่างเข้มงวด

​2. ปัญหาในอุตสาหกรรมและพื้นหลังทางเทคนิค​

​2.1 ปัญหาในอุตสาหกรรม: ความสามารถในการป้องกันการรบกวนจากไฟฟ้าสถิตอ่อนแอ​

ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม การปล่อยไฟฟ้าสถิต (ESD) เป็นสาเหตุหลักของการทำงานผิดปกติของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มิเตอร์ไฟฟ้าดิจิทัลแบบดั้งเดิมมักจะมีการรีเซ็ตระบบหรือการทำงานผิดปกติเนื่องจากการรบกวนระหว่างการทดสอบ ESD แบบไม่สัมผัส 15kV มาตรฐาน ทำให้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชันที่ต้องการความเชื่อถือได้สูง

​2.2 พื้นหลังทางเทคนิค: การวิเคราะห์โซลูชันที่มีอยู่​

ความท้าทายในการป้องกัน ESD ในมิเตอร์ไฟฟ้าดิจิทัลที่มีอยู่ส่วนใหญ่มาจากการออกแบบความถี่นาฬิกาหลัก:

• ​โซลูชัน 1: การเชื่อมต่อคริสตัลออสซิลเลเตอร์ความถี่สูงโดยตรง:​​ ชิปควบคุมหลักเชื่อมต่อกับคริสตัลออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง 25MHz โดยตรง ต้องใช้คาปาซิเตอร์ชดเชยภายนอกสองตัว แม้ว่าโครงสร้างจะเรียบง่าย แต่การออกแบบนี้มีปัญหาที่พอร์ต I/O ของชิป (ที่ออกแบบมาสำหรับการใช้พลังงานต่ำ) มักจะมีความสามารถในการทนทานต่อ ESD ที่อ่อนแอ และสัญญาณความถี่สูงมีแนวโน้มที่จะถูกรบกวนจากชีพจร ESD ทำให้ระบบอาจเกิดการล่ม
• ​โซลูชัน 2: คริสตัลออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำพร้อมการคูณความถี่:​​ ใช้คริสตัลออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำแล้วคูณเป็นความถี่สูงผ่านวงจร PLL ภายใน การออกแบบนี้มีการปรับปรุงบางประการในการป้องกันการรบกวนโดยตรง แต่ไม่สามารถแก้ไขปัญหาการคูปลอมแปลงไฟฟ้าสถิตได้ ทำให้ประสิทธิภาพในการป้องกันการรบกวนยังไม่ดีเท่าที่ควร

ทั้งสองโซลูชันแบบดั้งเดิมไม่สามารถรับประกันการทำงานของมิเตอร์อย่างมั่นคงในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรง

​3. โครงสร้างและฟังก์ชันของมิเตอร์โดยรวม​

มิเตอร์ในโซลูชันนี้ใช้การออกแบบโมดูลาร์ ประกอบด้วยหกโมดูลหลักที่ได้รับพลังงานจากโมดูลพลังงานที่รวมไว้ โครงสร้างชัดเจนและฟังก์ชันกำหนดไว้แน่นอน การเชื่อมต่อและการทำงานของแต่ละโมดูลกับชิปควบคุมหลักมีดังนี้:

​4. ข้อดีทางเทคนิคหลัก​

​4.1 ความสามารถในการป้องกันการรบกวนจากไฟฟ้าสถิตที่เหนือกว่า​

ข้อดีที่สำคัญที่สุดของโซลูชันนี้คือการออกแบบนาฬิกาหลักที่เป็นนวัตกรรม แทนที่จะใช้แผนการเชื่อมต่อคริสตัลความถี่สูงโดยตรงที่มีการรบกวน ชิปควบคุมหลักใช้คริสตัลความถี่ต่ำ 32768Hz เป็นขาป้อนความถี่หลัก เนื่องจากสัญญาณออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำมีความเข้มของรังสีภายนอกต่ำและมีความอ่อนไหวต่อการคูปลอมแปลงจากเสียงรบกวนความถี่สูงภายนอก (เช่น ชีพจร ESD) น้อย ทำให้ประสิทธิภาพในการป้องกันการรบกวนได้รับการปรับปรุงอย่างมากที่ต้นทาง การออกแบบนี้สามารถแก้ไขปัญหาของมิเตอร์แบบดั้งเดิม ทำให้สามารถผ่านการทดสอบ ESD แบบไม่สัมผัส 15kV ได้อย่างมั่นคงและรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ซับซ้อน

​4.2 โครงสร้างวงจรที่เรียบง่าย​

ชิปควบคุมหลักที่เลือก (MSP430F5438A) มีคาปาซิเตอร์ชดเชยภายในสำหรับวงจรออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำ ซึ่งทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้คาปาซิเตอร์ชดเชยภายนอกสองตัวที่จำเป็นในแผนการเชื่อมต่อคริสตัลความถี่สูงแบบดั้งเดิม ทำให้ลดความซับซ้อนในการวาง PCB ลดจำนวนชิ้นส่วนและต้นทุนวัสดุ ลดความซับซ้อนในการเชื่อมต่อและเพิ่มความสอดคล้องและเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์

​4.3 ความมั่นคงของนาฬิกาที่สูงขึ้น​

• ​นาฬิกาซอฟต์แวร์ระบบที่มั่นคง:​​ คริสตัล 32768Hz หลังจากหารความถี่สามารถสร้างสัญญาณนาฬิกา 1Hz ที่แม่นยำ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับนาฬิกาซอฟต์แวร์ของระบบ ความมั่นคงและความแม่นยำของมันเหนือกว่านาฬิกาที่สร้างขึ้นโดยการจำลองซอฟต์แวร์หรือการหารความถี่สูงมาก
• ​นาฬิกาการวัดที่มั่นคง:​​ สัญญาณนาฬิกาสำหรับการสุ่มตัวอย่าง ADC ที่ใช้ในการวัดพลังงานในมิเตอร์ยังมาจากนาฬิกาความถี่ต่ำที่มั่นคงนี้ ทำให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำในการสุ่มตัวอย่างและคำนวณพารามิเตอร์ไฟฟ้า เช่น แรงดัน กระแส กำลัง ซึ่งเป็นพื้นฐานของระบบการจัดการพลังงานที่มีคุณภาพสูง

​5. หลักการทำงานของระบบ​

กระบวนการทำงานของมิเตอร์มีดังนี้:

1. ​เปิดสวิตช์:​​ โมดูลพลังงานรับแรงดันไฟฟ้า AC ผ่านแหล่งจ่ายไฟ AC-DC ช่วยเหลือ แปลงและแยกเป็นแรงดัน 5V, 3.3V, และ 5V แยก ซึ่งส่งไปยังโมดูลการรวบรวมสัญญาณ, ระบบควบคุมหลัก (รวมถึงนาฬิกาเวลาจริง, เมมโมรี่, โมดูลควบคุมการแสดงผล), และอินเทอร์เฟซการสื่อสาร ตามลำดับ ทำให้โมดูลทั้งหมดพร้อมสำหรับการทำงาน
2. ​การรวบรวมสัญญาณ:​​ โมดูลการรวบรวมสัญญาณสะสมสัญญาณแรงดันและกระแสไฟฟ้าจากระบบไฟฟ้าสามเฟสอย่างต่อเนื่อง หลังจากประมวลผล (เช่น การแบ่ง, การแปลงกระแส, การขยายโดยแอมพลิฟายเออร์, การแปลงระดับสัญญาณ) จะส่งสัญญาณอนาล็อกที่แทนพารามิเตอร์ของระบบไฟฟ้าไปยังชิปควบคุมหลัก
3. ​การประมวลผลสัญญาณ:​​ ชิปควบคุมหลักแปลงสัญญาณอนาล็อกที่รับมาเป็นสัญญาณดิจิทัลโดยใช้วงจร AD converter ที่รวมอยู่ จากนั้น รวมกับเวลาที่ได้จากนาฬิกาเวลาจริง ทำการคำนวณและวิเคราะห์สัญญาณดิจิทัลเพื่อได้พารามิเตอร์ไฟฟ้าที่ต้องการ (เช่น แรงดัน RMS/กระแส, กำลังปฏิบัติ/กำลังไร้ปฏิบัติ, ปัจจัยกำลัง, ความถี่)
4. ​การส่งออกข้อมูลและการสื่อสาร:​​
• ​การเก็บข้อมูล:​​ ข้อมูลที่ประมวลผลแล้วจะถูกบันทึกในเมมโมรี่ข้อมูลภายในสำหรับการค้นหาข้อมูลประวัติศาสตร์และการวิเคราะห์โหลด
• ​การแสดงผล:​​ ข้อมูลจะถูกส่งไปยังโมดูลควบคุมการแสดงผลเพื่อปรับปรุงข้อมูลบนจอ LCD แบบเรียลไทม์
• ​การสื่อสาร:​​ ข้อมูลจะถูกอัปโหลดแบบเรียลไทม์ไปยังศูนย์ควบคุมระยะไกลผ่านอินเทอร์เฟซการสื่อสาร RS485 เพื่อการตรวจสอบระยะไกล
• ​การควบคุม:​​ ผู้ใช้สามารถควบคุมมิเตอร์ได้โดยตรงผ่านปุ่มบนโมดูลแสดงผล เพื่อค้นหาข้อมูลหรือตั้งค่าพารามิเตอร์