15кВ імунний до ESD цифровий ваттметр з спрощеним контуром та високою стабільністю

 1. Огляд рішення​

Це рішення спрямовано на надання високопродуктивного та надійного проекту цифрового електролічильника. Серце рішення полягає у інноваційному проекті головного тактового генератора для основного контролера, який ефективно вирішує внутрішні слабкості традиційних цифрових електролічильників щодо протидії електростатичній інтерференції (ESD). Лічильник може стабільно пройти тест на 15 кВ безконтактної електростатичної розрядки, а також має переваги, такі як спрощена схема та висока стабільність такту. Він підходить для промислових сценаріїв моніторингу електроенергії, де потрібна строга надійність та стабільність.

​2. Болі відраслі та технічний фон​

​2.1 Біль відраслі: Слабка здатність до протидії електростатичній інтерференції​

У промислових умовах електростатична розрядка (ESD) є однією з основних причин виходу з ладу електронного обладнання. Традиційні цифрові електролічильники часто перезавантажуються або функціонують неправильно через інтерференцію під час стандартного тесту на 15 кВ безконтактної електростатичної розрядки, не відповідаючи вимогам високо надійних застосувань.

​2.2 Технічний фон: Аналіз існуючих рішень​

Проблема протидії ESD у існуючих цифрових електролічильниках в основному походить від проекту головної частоти тактового генератора:

• ​Рішення 1: Пряме підключення високочастотного кварцевого генератора:​​ Основний контролер прямо під'єднується до 25 МГц високочастотного кварцевого генератора, що потребує двох зовнішніх компенсаційних конденсаторів. Хоча цей проект простий з точки зору конструкції, його I/O порти (спроектовані для низького споживання енергії) зазвичай мають слабку ESD-стійкість. Високочастотний сигнал чутливий до інтерференції під дією ESD-імпульсів, що може призвести до збою системи.
• ​Рішення 2: Низькочастотний кварцевий генератор з множенням частоти:​​ Використовується низькочастотний кварцевий генератор, який множиться до високої частоти за допомогою внутрішнього PLL. Цей підхід трохи покращує протидію прямої інтерференції, але не вирішує проблему електростатичної зв'язки, що призводить до менш ніж ідеальної протидії інтерференції.

Обидва традиційні рішення не можуть гарантувати стабільну роботу лічильника в жорстких електромагнітних середовищах.

​3. Загальна структура та функції лічильника​

Лічильник цього рішення використовує модульний дизайн, що складається з шести ключових модулів, живлення яких забезпечується завдяки єдиному модулю живлення. Структура чітка, а функції добре визначені. Підключення та функції кожного модуля до основного контролера наступні:

​4. Ключові технічні переваги​

​4.1 Висока здатність до протидії електростатичній інтерференції​

Найважливіша перевага цього рішення полягає у інноваційному проекті головного тактового генератора. Відмовившись від схеми прямого підключення високочастотного кварцу, основний контролер використовує 32768 Гц низькочастотний кварц як основний частотний вхід. Через те, що низькочастотні сигнали мають низьку інтенсивність зовнішнього радіаційного випромінювання та менш чутливі до зовнішньої високочастотної шумової інтерференції (наприклад, ESD-імпульсів), протидія інтерференції значно покращена на початковому етапі. Цей проект успішно вирішує проблему традиційних лічильників, дозволяючи стабільно пройти тест на 15 кВ безконтактної ESD-розрядки та забезпечуючи надійну роботу в складних промислових середовищах.

​4.2 Спрощена схема​

Вибраний основний контролер (MSP430F5438A) має вбудований компенсаційний конденсатор для внутрішнього низькочастотного генератора. Цей проект усуває необхідність у двох зовнішніх компенсаційних конденсаторах, які потрібні в традиційних схемах високочастотного кварцу, спрощуючи розташування на платі, зменшуючи кількість компонентів та матеріальних витрат, знижуючи складність виробничого процесу паяння та підвищаючи узгодженість та надійність продукту.

​4.3 Вища стабільність такту​

• ​Стабільний програмний годинник системи:​​ 32768 Гц кварц, після поділу частоти, може генерувати точний 1 Гц секундний сигнал, який служить основою для програмного годинника системи. Його стабільність та точність значно вищі, ніж у годинників, згенерованих шляхом програмної симуляції або високочастотного поділу.
• ​Стабільний годинник для вимірювання:​​ Такт AD-конвертора, використовуваний для вимірювання енергії, також походить з цього стабільного низькочастотного такту, забезпечуючи точність вибірки та обчислення таких електричних параметрів, як напруга, струм, потужність. Це надає основу для якісного управління енергією.

​5. Принцип роботи системи​

Робочий процес лічильника наступний:

1. ​Увімкнення живлення:​​ Модуль живлення отримує AC-вхід через допоміжне AC-DC живлення, перетворюючи та ізольуючи його на 5 В, 3.3 В та ізольовані 5 В. Ці напруги живлять модуль збору сигналів, основну систему керування (включаючи реальний час, пам'ять, модуль керування дисплеєм) та комунікаційний інтерфейс, приводячи всі модулі в готовий стан.
2. ​Збирання сигналів:​​ Модуль збору сигналів постійно збирає сигнали напруги та струму з трьохфазної мережі. Після обробки (наприклад, ділення, перетворення струму, підсилення операційним підсилювачем, перетворення рівня) він відправляє аналогові сигнали, що представляють параметри мережі, до основного контролера.
3. ​Обробка сигналів:​​ Основний контролер спочатку перетворює отримані аналогові сигнали на цифрові сигнали за допомогою інтегрованого AD-конвертора. Потім, поєднуючи їх з меткою часу від реального часу, він виконує обчислення та аналіз цифрових сигналів, щоб отримати необхідні електричні параметри (наприклад, RMS напруга/струм, активна/реактивна потужність, коефіцієнт потужності, частота).
4. ​Виведення даних та взаємодія:​​
• ​Збереження:​​ Оброблені дані зберігаються у внутрішній інформаційній пам'яті для запиту історичних даних та аналізу навантаження.
• ​Відображення:​​ Дані одночасно відправляються до модуля керування дисплеєм для реального оновлення на ЖК-дисплеї.
• ​Комунікація:​​ Дані в реальному часі відправляються до віддаленого центру моніторингу через RS485 комунікаційний інтерфейс для віддаленого моніторингу.
• ​Керування:​​ Користувачі можуть локально керувати лічильником через кнопки на модулі керування дисплеєм, щоб запитати дані або встановити параметри.