Thiết kế Đồng hồ Đo Điện Tử 15kV Chống ESD với Mạch Đơn giản & Độ ổn định Cao

 1. Tổng quan về giải pháp​

Giải pháp này nhằm cung cấp một thiết kế đồng hồ điện số có hiệu suất cao và độ tin cậy cao. Tấm lõi của giải pháp nằm ở thiết kế mạch đồng hồ chính sáng tạo cho chip điều khiển chính, giúp giải quyết hiệu quả các nhược điểm cố hữu của đồng hồ điện số truyền thống về khả năng chống nhiễu tĩnh điện (ESD). Đồng hồ có thể vượt qua ổn định kiểm tra xả tĩnh điện không tiếp xúc 15kV, đồng thời cũng có các ưu điểm như cấu trúc mạch đơn giản và độ ổn định đồng hồ cao. Nó phù hợp cho các kịch bản giám sát điện công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy và ổn định nghiêm ngặt.

​2. Nỗi đau của ngành & Bối cảnh kỹ thuật​

​2.1 Nỗi đau của ngành: Khả năng chống nhiễu tĩnh điện yếu​

Trong môi trường công nghiệp, xả tĩnh điện (ESD) là nguyên nhân hàng đầu gây hỏng thiết bị điện tử. Đồng hồ điện số truyền thống rất dễ bị reset hệ thống hoặc hoạt động bất thường do nhiễu trong quá trình kiểm tra ESD không tiếp xúc tiêu chuẩn 15kV, không đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng cần độ tin cậy cao.

​2.2 Bối cảnh kỹ thuật: Phân tích các giải pháp hiện có​

Thách thức về chống ESD trong các đồng hồ điện số hiện tại chủ yếu xuất phát từ thiết kế tần số đồng hồ chính:

• ​Giải pháp 1: Kết nối trực tiếp với dao động tinh thể tần số cao:​​ Chip điều khiển chính được kết nối trực tiếp với dao động tinh thể tần số cao 25MHz, yêu cầu hai tụ bù ngoại vi. Mặc dù cấu trúc đơn giản, thiết kế này gặp vấn đề về khả năng chống ESD yếu của các cổng I/O (được thiết kế để tiêu thụ điện năng thấp) của chip. Tín hiệu tần số cao dễ bị nhiễu dưới xung ESD, có thể gây sập hệ thống.
• ​Giải pháp 2: Dao động tinh thể tần số thấp với tăng tần số:​​ Sử dụng dao động tinh thể tần số thấp và tăng lên tần số cao thông qua PLL nội bộ. Cách tiếp cận này mang lại cải thiện về khả năng chống nhiễu trực tiếp nhưng không giải quyết được vấn đề ghép tĩnh điện, dẫn đến hiệu suất chống nhiễu không lý tưởng.

Cả hai giải pháp truyền thống đều khó đảm bảo hoạt động ổn định của đồng hồ trong môi trường điện từ khắc nghiệt.

​3. Cấu trúc tổng thể và chức năng của đồng hồ​

Đồng hồ trong giải pháp này sử dụng thiết kế mô-đun, bao gồm sáu mô-đun lõi được cấp nguồn bởi mô-đun nguồn chung. Cấu trúc rõ ràng, chức năng được xác định rõ. Các kết nối và chức năng của mỗi mô-đun với chip điều khiển chính như sau:

​4. Ưu điểm kỹ thuật cốt lõi​

​4.1 Khả năng chống nhiễu tĩnh điện vượt trội​

Ưu điểm quan trọng nhất của giải pháp này là thiết kế sáng tạo của đồng hồ chính. Bỏ qua phương án kết nối trực tiếp với dao động tần số cao dễ bị nhiễu, chip điều khiển chính sử dụng tinh thể tần số thấp 32768Hz làm đầu vào tần số chính. Do tín hiệu dao động tần số thấp có cường độ bức xạ bên ngoài thấp và ít bị nhiễu ghép từ tiếng ồn tần số cao bên ngoài (như xung ESD), khả năng chống nhiễu được cải thiện đáng kể từ nguồn gốc. Thiết kế này thành công giải quyết điểm đau của đồng hồ truyền thống, cho phép vượt qua ổn định kiểm tra ESD không tiếp xúc 15kV và đảm bảo hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp phức tạp.

​4.2 Cấu trúc mạch đơn giản​

Chip điều khiển chính được chọn (MSP430F5438A) có tụ bù nội bộ cho mạch dao động tần số thấp. Thiết kế này loại bỏ hai tụ bù ngoại vi cần thiết trong phương án tinh thể tần số cao truyền thống, đơn giản hóa bố trí PCB, giảm số lượng linh kiện và chi phí vật liệu, giảm độ phức tạp hàn sản xuất, và nâng cao tính nhất quán và độ tin cậy của sản phẩm.

​4.3 Độ ổn định đồng hồ cao hơn​

• ​Đồng hồ phần mềm hệ thống ổn định:​​ Tinh thể 32768Hz, sau khi chia tần số, có thể tạo ra tín hiệu đồng hồ giây chính xác 1Hz, làm nền tảng cho đồng hồ phần mềm của hệ thống. Độ ổn định và độ chính xác của nó vượt trội so với đồng hồ được mô phỏng bằng phần mềm hoặc chia tần số cao.
• ​Đồng hồ đo ổn định:​​ Đồng hồ lấy mẫu ADC được sử dụng để đo năng lượng trong đồng hồ cũng bắt nguồn từ đồng hồ tần số thấp ổn định này, đảm bảo độ chính xác của việc lấy mẫu và tính toán các tham số điện như điện áp, dòng điện, công suất. Điều này cung cấp cơ sở dữ liệu cho quản lý năng lượng chất lượng cao.

​5. Nguyên lý hoạt động của hệ thống​

Quy trình hoạt động của đồng hồ như sau:

1. ​Bật nguồn:​​ Mô-đun nguồn nhận nguồn AC thông qua nguồn phụ AC-DC, chuyển đổi và cách ly thành các điện áp 5V, 3.3V và 5V cách ly. Chúng cung cấp cho Mô-đun thu thập tín hiệu, Hệ thống điều khiển chính (bao gồm Đồng hồ thực tế, Bộ nhớ, Mô-đun điều khiển hiển thị) và Giao diện truyền thông, đưa tất cả các mô-đun vào trạng thái sẵn sàng.
2. ​Thu thập tín hiệu:​​ Mô-đun thu thập tín hiệu liên tục thu thập tín hiệu điện áp và dòng điện từ mạng điện ba pha. Sau khi xử lý (ví dụ: phân chia, biến dòng, khuếch đại bởi op-amps, chuyển đổi mức), nó gửi tín hiệu tương tự đại diện cho các tham số mạng đến Chip điều khiển chính.
3. ​Xử lý tín hiệu:​​ Chip điều khiển chính đầu tiên chuyển đổi tín hiệu tương tự đã nhận thành tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi AD tích hợp. Sau đó, kết hợp với dấu thời gian từ Đồng hồ thực tế, nó thực hiện tính toán và phân tích trên tín hiệu số để rút ra các tham số điện cần thiết (ví dụ: điện áp/dòng điện RMS, công suất có công/sông công, hệ số công suất, tần số).
4. ​Đầu ra dữ liệu & Tương tác:​​
• ​Lưu trữ:​​ Dữ liệu đã xử lý được lưu vào Bộ nhớ thông tin nội bộ để truy vấn dữ liệu lịch sử và phân tích tải.
• ​Hiển thị:​​ Dữ liệu được gửi đồng thời đến Mô-đun điều khiển hiển thị để cập nhật theo thời gian thực trên màn hình LCD.
• ​Truyền thông:​​ Dữ liệu được tải lên theo thời gian thực đến trung tâm giám sát từ xa thông qua Giao diện truyền thông RS485 để giám sát từ xa.
• ​Điều khiển:​​ Người dùng có thể vận hành đồng hồ cục bộ thông qua các nút trên mô-đun hiển thị để truy vấn dữ liệu hoặc đặt tham số.