B202AA-PCIe: Üç Fazlı Enerji Analizör Modülü

B202AA-PCIe'yi, endüstriyel seviye enerji izleme sistemleri için yüksek hassasiyetli bir ölçüm platformu olarak tasarladım. Modülün kalbinde Analog Devices (Maxim Integrated) MAX78630 polifaz enerji ölçüm entegresi yer alıyor. Bu entegre IEC 62053-21, IEC 62053-22 ve IEC 62053-23 standartlarına uygun 0.1% sınıfı doğruluk seviyesinde ölçüm yapabiliyor - yani profesyonel enerji sayaçlarında kullanılan performans sınıfında.

Tasarımda Mini PCIe form faktörünü seçmemin nedeni hem kompakt boyut hem de mevcut sistemlere kolay entegrasyon sağlaması. Proje tamamen açık kaynak: şematikler, PCB dosyaları, BOM ve yazılım kütüphaneleri dahil tüm tasarım dosyalarını paylaşıyorum.

Donanım Mimarisi​

B202AA-PCIe modülünün 1. sayfadaki blok diyagramı, üç ana alanı net şekilde ayırır:

• Saha (yüksek gerilim) tarafı
• İzole ölçüm ve işleme katı
• Host / taşıyıcı kart (düşük gerilim) tarafı

Bu yapı, hem elektriksel güvenlik hem de sistem mimarisi açısından kartın nasıl konumlandığını anlamayı kolaylaştırır.

1. Saha Tarafı (Yüksek Gerilim Alanı)​

Blok diyagramın sol tarafında, şebekeye bağlı saha bileşenleri yer alır:

• Üç faz AC girişleri: VR, VS, VT
• Akım trafoları (CT_R, CT_S, CT_T): Hat akımlarını izole ve ölçeklenmiş hale getirir
• Faz gerilim algılama noktaları: Faz–nötr veya faz–faz geriliminin kart üzerine alınması

Bu alan, doğrudan 85–265 V AC ve üzerinde çalışan tüm bağlantıları içerdiği için, tasarımda HV/LV ayırımı ve creepage/clearance kuralları kritik önemdedir.

2. İzole Ölçüm ve İşleme Katı​

Blok diyagramın orta kısmı, kart üzerindeki asıl analog–dijital ölçüm çekirdeğini gösterir:

• Voltaj bölücü katı:
  VR–VS–VT hatlarından gelen yüksek gerilim, üç kanallı hassas direnç ağı ve RC filtreler ile MAX78630’un ±250 mV giriş aralığına ölçeklenir.

• Akım trafosu giriş katı:
  CST-1005 akım trafolarından gelen sinyaller, 24.9 Ω Kelvin burden, 10 Ω seri direnç ve BAS316 koruma diyotları ile işlenerek MAX78630 akım girişlerine uygulanır.

• MAX78630 enerji ölçüm işlemcisi:
  Üç faz akım ve gerilim bilgilerini örnekler, RMS–aktif–reaktif–görünür güç ve enerji hesaplarını kendi içinde yapar.

• Alarm izolasyon katı (AL1 / AL2):
  MAX78630’un ISO_AL1 / ISO_AL2 hatları, TLP2362 optokuplörler üzerinden hem kart üzerindeki LED’lere hem de host tarafındaki AL1 / AL2 pinlerine taşınır.

• Faz gerilim sense izolasyon katı (R / S / T):
  İç ölçüm domain’inde üretilen POVR / POVS / POVT sinyalleri, analog izolasyon blokları üzerinden SENSE_VR / SENSE_VS / SENSE_VT hatlarına aktarılır.

Bu alanın tamamı 3V3ISO / GNDISO ile beslenir ve kartın geri kalanından elektriksel olarak yalıtılmıştır.

3. Host / Taşıyıcı Kart Tarafı​

Blok diyagramın sağ tarafında, Mini PCIe soketi üzerinden kart ile haberleşen host/taşıyıcı sistem yer alır:

• 3.3 V ve GND: Host tarafından sağlanan temel besleme
• UART arayüzü: 3V3_UART_TX / 3V3_UART_RX hatları ile ölçüm verilerinin ve konfigürasyon komutlarının alışverişi
• AL1 / AL2 alarm girişleri: Sahadaki kritik durumların donanım seviyesinde izlenmesi
• SENSE_VR / SENSE_VS / SENSE_VT analog girişleri: Faz gerilimlerinin büyüklüğünün harici ADC veya kontrol sistemleri tarafından izlenmesi
• 3V3_POWER_EN: İzole ölçüm bloğunu devreye alan güç etkinleştirme hattı

Host tarafı, doğrudan şebekeye temas etmez; sadece izole edilmiş sinyal ve besleme hatlarını görür.

4. İzole UART ve Güç Bloğu​

Saha ve host tarafı arasında, blok diyagramda ayrı bir katman olarak gösterilen UART izolasyon ve izole güç bloğu bulunur:

• ISOW7821 tabanlı izolasyon:
  3V3_UART_TX / RX ↔ ISO_UART_TX / RX arasında tam galvanik izolasyon sağlar.
• Entegre DC-DC dönüştürücü:
  Host’tan gelen 3.3 V’tan, ölçüm tarafı için izole 3V3ISO beslemesi üretir.
• Y2 sınıfı kapasitör ve ferrit boncuklar:
  EMC ve ortak mod gürültüsü kontrolü için kullanılır.

Bu blok, kartın “HV domain” ile “LV domain” arasındaki tek köprü olup, tüm veri ve güç akışını kontrol altında tutar.

5. Alt Bölümlere Referans​

Bu blok diyagram altında yer alan alt başlıklar, mimarinin her bir parçasını detaylı olarak açıklar:

• Mini PCIe Soketi ve Kart Kenarı Arayüzü → Host tarafı bağlantıları
• Voltaj Giriş ve Bölücü Devresi → Faz gerilim ölçüm zinciri
• Akım Trafosu Girişleri ve Ölçüm Devresi → Faz akım ölçüm zinciri
• MAX78630 Ölçüm Entegresi ve UART Haberleşme Mimarisi → Ölçüm çekirdeği
• Alarm Çıkışları ve Optik İzolasyon (AL1 / AL2) → Donanım alarm mimarisi
• UART İzolasyon Devresi ve İzole 3.3V Besleme → İletişim ve güç izolasyonu
• Faz Gerilim Sense İzolasyon Katı (R / S / T) → Harici analog faz gerilim çıkışları

Bu sayede okuyucu, 1. sayfadaki blok diyagrama baktığında kartın genel işleyişini tek bakışta görebilir; devamındaki bölümlerde ise her bloğun devre seviyesindeki detaylarına ulaşabilir.

Mini PCIe Soketi​

B202AA-PCIe, adından da anlaşılacağı üzere Mini PCI Express form faktöründe bir karttır; ancak üzerinde PCIe veri hattı (TX/RX diferansiyel çiftleri) kullanılmaz. Konnektör, bu projede esas olarak:

• 3.3 V besleme ve GND dağıtımı,
• UART haberleşme,
• Alarm çıkışları (AL1 / AL2),
• Faz gerilim sense hatları (SENSE_VR / SENSE_VS / SENSE_VT)

için mekanik ve elektriksel arayüz olarak kullanılır. Bu nedenle B202AA-PCIe, klasik anlamda bir PCIe çevre kartı değil, Mini PCIe konnektörünü taşıyıcı arayüz olarak kullanan izole bir enerji ölçüm modülüdür.

Sinyal Grupları​

Şema üzerinde 2. sayfada yer alan Mini PCIe soketinde aşağıdaki sinyal grupları kart dışına taşınır:

• Güç ve toprak:
  • 3V3 – Kartın ana beslemesi, host tarafından sağlanır.
  • GND – Ortak referans toprak.
  • Mini PCIe standardına uygun olarak birden fazla güç ve toprak pini paralel dağıtılmıştır.
• UART haberleşme:
  • 3V3_UART_RX – Host’un TX hattı (karta gelen veri).
  • 3V3_UART_TX – Host’un RX hattı (karttan çıkan veri).
  • Bu hatlar izole tarafta ISO_UART_RX / ISO_UART_TX hatlarına karşılık gelir.
• Güç etkinleştirme:
  • 3V3_POWER_EN – Kartın izole güç bloğunu ve ölçüm katını etkinleştiren kontrol hattı.
  • Aktif HIGH çalışır; host bu hattı 3.3 V seviyesine çektiğinde izolasyon ve VISO_3V3 üretimi devreye girer.
• Alarm hatları:
  • AL1, AL2 – Active‑LOW alarm çıkışları; optokuplör üzerinden izole edilmiş olup hem dijital giriş hem LED gösterge olarak kullanılabilir.
• Faz gerilim sense hatları:
  • SENSE_VR, SENSE_VS, SENSE_VT
    3–5. sayfalardaki Phase Sense Isolation bloklarından çıkar ve host ADC’si tarafından okunabilir izole analog gerilim referanslarıdır.

Host Tarafı Bakış Açısı​

Host veya taşıyıcı kart Mini PCIe slotu üzerinden B202AA-PCIe ile şu şekilde haberleşir:

• Kartı beslemek için 3.3 V ve GND sağlar.
• Ölçüm sonuçlarını almak için UART arayüzünü kullanır.
• Kritik olayları izlemek için AL1 / AL2 sinyallerini okuyabilir.
• Faz gerilim büyüklüğünü kendi ADC’si ile izlemek için SENSE_VR / VS / VT hatlarını değerlendirebilir.

Bu yapı sayesinde Mini PCIe soketi, karmaşık PCIe protokollerine ihtiyaç duymadan B202AA‑PCIe modülünü farklı sistemlere tak‑çalıştır şekilde entegre etmeyi sağlayan kompakt ve standart bir arayüz görevi görür.

Voltaj Giriş ve Bölücü Devresi​

VR–VS–VT faz hatlarındaki yüksek AC gerilimleri (85-265 V RMS), MAX78630'un ±250 mV giriş aralığına ölçeklemek için hassas bir voltaj bölücü ağı tasarladım. Bu bölücüde %0.1 toleranslı yüksek hassasiyetli dirençler ve iki kademeli RC filtre yapısı kullandım - hem doğruluk hem de frekans kompanzasyonu için kritik.

Tasarım Detayları​

Her faz için voltaj bölücü şu şekilde yapılandırılmış:

Direnç ağı:

• Üst kol: 3× 1.1 MΩ seri (R34, R35, R36) → Toplam 3.3 MΩ
  → %0.1 tolerans, 1206 SMD paket (yüksek gerilim izolasyonu için)
• Seri koruma: 100 Ω (R37)
  → Transient koruması ve filtre stabilitesi
• Alt kol (referans): 1 kΩ (R46)
  → ADC giriş empedansı ile uyumlu

RC filtre kademeleri:

• 22 nF (C15–C17): 50 Hz faz kompanzasyonu için
• 1 nF (C18–C20): Yüksek frekans harmonik süzme

PCB yerleşiminde HV-LV alan ayrımına dikkat ettim: yüksek gerilim bileşenleri ile düşük gerilim tarafı arasında minimum 6 mm clearance ve creepage mesafesi uyguladım.

Bölme Oranı Hesabı​

Klasik voltaj bölücü formülünden:

Vout = Vin × (Ralt / Rtoplam)

Rtoplam = 3.300.000 + 100 + 1.000 = 3.301.100 Ω
Bölme katsayısı = 1.000 / 3.301.100 ≈ 0.0003029

Sonuç: Vout ≈ Vin × 0.000303

Pratik örnek:

• 230 V RMS giriş → 230 × √2 × 0.000303 ≈ 98.5 mV (peak)
• 400 V RMS giriş → 400 × √2 × 0.000303 ≈ 171 mV (peak)

MAX78630'un ±250 mV peak limiti göz önüne alındığında, bu tasarım 584 V RMS'e kadar ölçüm yapabilir - yani 400 V nominal sistemlerde %45 güvenlik marjı var.

Ölçüm Aralığı ve Güvenlik Marjı​

Tasarımda 400 V nominal sistemler için %45 güvenlik marjı bıraktım. Bu sayede transient'ler veya kısa süreli aşırı gerilimler ADC'yi doyuma götürmeden ölçülebiliyor.

Frekans Kompanzasyonu ve Filtre Tasarımı​

RC filtre yapısını iki kademeli olarak tasarladım:

Birinci kademe (22 nF):

• Kesim frekansı: fc = 1 / (2π × 3.3 MΩ × 22 nF) ≈ 2.2 Hz
• 50 Hz'de faz kayması: -0.40° (şema analizinden)
• Amaç: Temel frekansta (50/60 Hz) minimum faz hatası

İkinci kademe (1 nF + 100 Ω):

• Yüksek frekans harmonikleri (3., 5., 7. harmonikler) süzmek için
• Keskin transient'lere karşı ADC giriş koruması
• 100 Ω seri direnci aynı zamanda burden stability de sağlıyor

Bu yapıyla güç ölçüm hatası (PF=0.5'te) kompanzasyon öncesi -1.21%, kompanzasyon sonrası < 0.05% seviyesinde.

Performans Özeti​

Bu düzeltme ile voltaj bölücü dokümantasyonu, B202AA-PCIe donanımındaki gerçek devre tasarımı ve şema hesaplamalarıyla tamamen uyumludur.

Akım Trafosu Girişleri ve Ölçüm Devresi​

B202AA-PCIe modülünde faz başına birer adet akım trafosu (CT) kullanılarak IR / IS / IT akım kanalları ölçülür. Her bir CT kanalı, Kelvin bağlantılı burden direnci, koruma diyotları ve küçük bir RC filtreden oluşan kompakt bir giriş katına sahiptir.

Enerji giriş konnektörü üzerinde CT uçları şu şekilde gruplanır:

• CT_R+ / CT_R− → R fazı
• CT_S+ / CT_S− → S fazı
• CT_T+ / CT_T− → T fazı

Bu uçlar doğrudan akım trafosunun sekonderine bağlanır ve ölçüm devresine iletilir.

Seçilen Akım Trafosu (CST-1005)​

Bu tasarımda her faz için Triad Magnetics CST-1005 serisi akım trafoları kullanılmıştır. Bu elemanın temel özellikleri:

• Model: CST-1005 (CST1005)
• Üretici: Triad Magnetics
• Akım oranı: 5 A : 5 mA (1000:1)
• Sekonder DC direnci: 40 Ω
• Önerilen burden direnci (veri sayfası): 100 Ω
• Çalışma frekans aralığı: 50–60 Hz
• Dielektrik dayanımı: 4 kV
• Doğruluk: ±3 % (2 A – 20 A aralığında)

Veri sayfasında 100 Ω burden direnci için 0.0958 V/A çıkış gerilimi belirtilmiştir. Bu tasarımda 24.9 Ω burden kullanılarak:

• Gerilim/akım oranı yaklaşık 0.0239 V/A seviyesine çekilir
• Nominal 5 A akımda yaklaşık 0.12–0.125 V_RMS çıkış gerilimi elde edilir

Bu değerler, aşağıda verilen burden ve ölçekleme hesapları ile uyumludur.

Tasarım Mimarisi​

Her bir faz akım kanalı için giriş yapısı ortak bir mimariyi takip eder:

• Seri giriş direnci: 10 Ω, %0.1, 0805 (R7, R10, R13)
• Burden (yük) direnci: 24.9 Ω, %0.1, 1/4 W, 1206 (R8, R11, R14)
• Burden kapasitesi: 470 pF, 50 V, 0603 (C7, C8, C9)
• Koruma diyotları: BAS316, SOD-323, anti-paralel (D3–D8)

Burden direnci, şemada belirtilen şekilde Kelvin Connection ile bağlanmıştır. Böylece baskı devre izlerinin ve lehim eklemlerinin ek direnci ölçüm kazancını etkilemez; MAX78630 yalnızca burden üzerindeki gerçek gerilimi görür.

Burden ve Ölçekleme​

Tasarım, 5 A nominal ve 7 A maksimum hat akımı için ölçeklendirilmiştir. CT oranı 1000:1 olacak şekilde (5 A → 5 mA, Triad Magnetics CST-1005) tasarlanmıştır.

Nominal değer:

I_sec = 5 A_RMS / 1000 ≈ 5 mA_RMS
V_burden = 5 mA × 24.9 Ω ≈ 0.125 V_RMS (0.177 V_peak)

Şemadaki değerlere göre:

• Nominal akım (5 A RMS): 0.125 V_RMS → 0.177 V_peak
• Maksimum akım (7 A RMS): 0.174 V_RMS → 0.246 V_peak
• MAX78630 giriş sınırı: ±250 mV_peak

Bu yapı, ADC tam ölçek aralığının yaklaşık %98’ini kullanır ve yüksek hassasiyetli akım ölçümü sağlar.

Burden gücü:

P = V² / R ≈ (0.174 V_RMS)² / 24.9 Ω < 2 mW

Koruma ve Güvenlik​

CT sekonderinin açık devre kalması durumunda gerilim yüzlerce volta çıkabilir. Bu nedenle her kanalda:

• Burden direnci üzerine anti-paralel iki adet BAS316 diyot bağlanmıştır.
• Normalde burden üzerindeki gerilim ±0.25 V_peak seviyesinde olduğu için diyotlar iletime geçmez.
• Olası açık devre durumunda diyotlar ±0.7 V seviyesinde iletime geçerek sekonder gerilimini güvenli seviyede sınırlar.

Ek güvenlik elemanları:

• 470 pF kapasitör yüksek frekanslı parazitleri süzer.
• 10 Ω seri direnç, koruma diyotlarının iletime geçtiği durumlarda akımı sınırlayarak devreyi korur.

Performans Özeti​

Bu akım girişi topolojisi, CT’lerin güvenli çalışmasını garanti ederken, MAX78630 için tam ölçeğe yakın sinyal seviyeleri elde edilmesini sağlar.

MAX78630 Ölçüm Entegresi ve UART Haberleşme Mimarisi​

B202AA-PCIe modülünün kalbinde, üç fazlı gerilim ve akım bilgilerini gerçek zamanlı olarak işleyen MAX78630+PPM enerji ölçüm işlemcisi yer alır. Bu entegre; faz başına gerilim (Analog_VR, Analog_VS, Analog_VT) ve akım (Analog_IR, Analog_IS, Analog_IT) sinyallerini örnekler, dahili DSP motoru ile güç ve enerji hesaplarını yapar ve sonucu izole UART arayüzü üzerinden üst sisteme iletir.

Analog Ölçüm Girişleri​

MAX78630’un analog tarafı, önceki bölümlerde açıklanan gerilim bölücüler ve akım trafosu giriş devreleri ile doğrudan bağlantılıdır:

• Faz gerilimleri: Analog_VR, Analog_VS, Analog_VT
• Faz akımları: Analog_IR, Analog_IS, Analog_IT

Bu sinyaller:

• Voltaj kanalları için: yüksek empedanslı voltaj bölücü + RC filtre
• Akım kanalları için: CST-1005 akım trafosu + burden + diyot koruması + RC filtre

üzerinden MAX78630’un diferansiyel ADC girişlerine (AVx / AIx) bağlanır. Böylece tüm ölçüm zinciri ±250 mVpeak tam ölçek aralığına ölçeklenmiş, düşük gürültülü sinyaller üretir.

Referans ve Osilatör Yapısı​

MAX78630; içindeki delta-sigma ADC ve DSP çekirdeğinin doğru çalışması için harici referans ve saat bileşenleri ile desteklenmiştir:

• Referans gerilimi (VREF), yakın yerleştirilmiş bypass kapasitörleri ile filtrelenir ve analog/dijital gürültüden izole edilir.
• 32.768 kHz kristal, XIN/XOUT pinlerine bağlanarak ölçüm zaman tabanını oluşturur. Bu saat:
  • Örnekleme oranını,
  • Frekans hesaplamasını,
  • Uzun dönem enerji entegrasyon doğruluğunu belirleyen kritik bir bileşendir.

Bu yapı, üretici uygulama notlarına uygun tipik bağlantıyla kurulmuştur.

UART Arayüzü ve İzolasyon​

B202AA-PCIe, MAX78630 ile ana sistem arasındaki haberleşmeyi UART üzerinden kurar. Şemada:

• Entegre tarafındaki seri hatlar: ISO_UART_RX / ISO_UART_TX
• Kart kenarı (host) tarafındaki hatlar: 3V3_UART_RX / 3V3_UART_TX
• Arada ise bu iki tarafı ayıran bir dijital izolasyon katı bulunur.

Bu mimarinin sağladığı avantajlar:

• Yüksek gerilim tarafındaki hata veya transient’lerin host sisteme geçmesini engeller.
• Toprak döngülerini ve ortak mod gürültüsünü azaltır.
• Aynı kart üzerindeki diğer dijital devrelerin AC ölçüm tarafına gürültü enjekte etmesini sınırlar.

MAX78630 veri sayfasına uygun olarak cihaz, UART üzerinden haberleşecek şekilde yapılandırılmıştır. Entegre aslında SPI ve I²C arayüzlerini de desteklese de bu tasarımda sadece UART hattı aktif durumdadır; proje mimarisi tamamen UART protokolü etrafında kurgulanmıştır.

Adresleme, Alarm ve Kontrol Hatları​

Blok şemada gösterildiği üzere, seri haberleşme yanında aşağıdaki dijital hatlar da kullanıma açıktır:

• AL1 / AL2: Entegre içindeki alarm ve durum bilgilerini taşımak üzere konfigüre edilebilen çok amaçlı dijital çıkışlar. Bu hatlar da ISO_AL1 / ISO_AL2 üzerinden yalıtılmıştır.
• ADDR0 / ADDR1 (şemada net isimleri görünmese de): Birden fazla MAX78630 kullanılması halinde cihaz adresi seçimine imkân veren pinlerdir; bu tasarımda sabit adres olacak şekilde dirençlerle tanımlanmıştır.
• RESET / IRQ: Entegreyi güvenli şekilde yeniden başlatmak ve olay tabanlı kesme (ölçüm hazır, hata, vs.) üretmek için tasarlanan kontrol hatlarıdır.

Bu hatlar sayesinde, üst seviye yazılım; hata durumlarını görebilir, ölçüm hızını değiştirebilir ve gerektiğinde entegreyi sahada yeniden başlatabilir.

Besleme Topolojisi​

MAX78630, hem ölçüm doğruluğu hem de EMC performansı için ayrıştırılmış besleme alanları kullanır:

• 3V3ISO: İzole edilmiş 3.3 V besleme hattı; hem MAX78630 hem de UART/ALARM izolasyon katı bu hat üzerinden beslenir.
• GNDISO: Ölçüm tarafına ait referans toprak; kartın geri kalanından fiziksel ve elektriksel olarak ayrılmıştır.
• Dijital tarafta ise kart kenarı konnektöründe 3V3 ve sistem GND hattı bulunur.

Bu ayrım, blok şemada “Serial Comm Isolation” bölümüyle de vurgulanan klasik HV/LV alan ayırımı prensibine uygun olarak tasarlanmıştır.

Bu mimari sayesinde ölçüm entegresi, yüksek gerilim tarafında izole ve güvenli biçimde çalışırken; host tarafı yalnızca izole UART hattını görür. Böylece hem elektriksel güvenlik hem de yazılım entegrasyonu sade ve tekrarlanabilir bir yapıda tutulmuştur.

Alarm Çıkışları ve Optik İzolasyon (AL1 / AL2)​

B202AA-PCIe modülünde yer alan AL1 ve AL2 hatları, MAX78630’un ISO_AL1 / ISO_AL2 alarm çıkışlarını güvenli ve gürültüye dayanıklı şekilde kart kenarındaki AL1 / AL2 pinlerine taşıyan optik izolasyon katı üzerinden host sisteme iletilir.

Bu yapı sayesinde:

• Yüksek gerilimli ölçüm alanı ile host tarafı galvanik olarak ayrılır,
• Alarm hatları üzerinden gelebilecek ani gerilim darbeleri ve toprak potansiyel farkları host sistemine taşınmaz,
• Aynı hatlar hem dijital alarm sinyali, hem de yerel LED gösterge ile görsel izleme için kullanılır.

Devre Mimarisi (AL1 / AL2 Ortak Yapı)​

Her iki alarm kanalı da aynı topolojiye sahiptir:

• İzole taraf giriş/çıkışları: ISO_AL1 / ISO_AL2
• Host tarafı alarm pinleri: AL1 / AL2
• Optik izolasyon: Toshiba TLP2362 yüksek hızlı dijital optokuplör
• Besleme:
  • İzole taraf: 3V3ISO / GNDISO
  • Host tarafı: 3V3 / GND

Her kanal için temel bileşenler:

• Optokuplör: TLP2362 (AL1 ve AL2 için ayrı paketler)
• Giriş akım sınırlama direnci: 1.8 kΩ, 0402, 1/10 W (ör. R2, R5)
• Çıkış seri direnci: 47 Ω, 0402, 1/16 W (ör. R3, R6)
• Pull-up direnci: 4.7 kΩ, 0402, 1/16 W (ör. R1, R4)
• Alarm LED’i: Kırmızı SMD LED (AL1 için D1, AL2 için D2)
• Besleme bypass kapasitörleri:
  • 100 nF, 6.3 V, 0402 (C1, C4)
  • 1 µF, 6.3 V, 0402 (C2, C5)
  • 47 nF, 6.3 V, 0402 (C3, C6)

Optokuplörün her iki tarafına yerleştirilen çoklu bypass kapasitörleri, üretici tavsiyelerine uygun olarak besleme gürültüsünü bastırır ve optik izolasyon katının kararlı çalışmasını sağlar.

Çalışma Prensibi ve Mantık Seviyeleri​

Şemadaki notlara göre AL1 ve AL2 çıkışları:

• Active LOW mantığı ile çalışır,
• Şema üzerinde:
  • ON = Alarm
  • OFF = No Alarm olarak tanımlanmıştır.

Bu şu anlama gelir:

• Normal durumda (alarm yokken) optokuplör çıkışı iletimde değildir, AL1 / AL2 hatları 4.7 kΩ pull-up sayesinde 3.3 V seviyesinde tutulur ve LED sönüktür.
• Alarm oluştuğunda ISO_AL1 / ISO_AL2 tarafında optokuplör LED’i akım çeker, çıkış transistörü iletime geçer:
  • AL1 / AL2 hattını GND’ye çeker (LOW),
  • Kırmızı LED üzerinden akım akarak görsel alarm göstergesi oluşur.

Bu yapı sayesinde host tarafı, AL1 / AL2 pinlerini doğrudan open-collector / active-low alarm çıkışı olarak okuyabilir.

İzolasyon ve PCB Tasarım Notları​

Alarm izolasyon katı, aynı kart üzerindeki diğer izolasyon bölgeleri ile birlikte aşağıdaki kurallara uyar:

• GNDISO ile sistem GND arasında bakır boşaltma (copper clearance) en az 6 mm olacak şekilde tasarlanmalıdır.
• Optokuplör çevresindeki 100 nF ve 1 µF bypass kapasitörleri, pakete mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir.
• Alarm devrelerinin her iki tarafı da 3.3 V seviyesinde çalışmasına rağmen, optik izolasyon sayesinde:
  • Farklı toprak referansları arasındaki potansiyel farkları sorun yaratmaz,
  • Harici sisteme kabloyla çıkılan AL1 / AL2 hatları modülün yüksek gerilimli ölçüm alanına geri gürültü taşıyamaz.

Kullanım Senaryoları​

Bu alarm hatları tipik olarak:

• Aşırı akım / aşırı gerilim,
• Faz kaybı veya dengesizlik,
• İç hata (örneğin MAX78630 fault durumu),
• Harici röle veya kontaktör sürücülerine “alarm oluştu” bilgisinin iletilmesi,

gibi durumların izlenmesi için kullanılır.

Host tarafında AL1 / AL2 hatları:

• Mikrodenetleyici GPIO girişine pull-up ile uyumlu, active-low alarm girişi olarak,
• PLC / dijital giriş modülü tarafında optokuplör tetikleyen açık-kolektör giriş olarak,

doğrudan kullanılabilir.

Bu sayede B202AA-PCIe, hem ölçüm tarafında izole edilmiş alarm bilgisini güvenli biçimde dış dünyaya açar, hem de kart üzerinde yerleşik LED’ler ile sahada hızlı görsel teşhis imkânı sağlar.

UART İzolasyon Devresi ve İzole 3.3V Besleme​

B202AA-PCIe modülünde, MAX78630’un bulunduğu yüksek gerilim ölçüm alanı ile host sistem arasındaki seri haberleşme UART izolasyon bloğu üzerinden sağlanır. Bu blok, hem dijital veri hatlarını (TX/RX) hem de ölçüm tarafının ihtiyacı olan izole 3.3V beslemeyi tek bir entegre etrafında toplar.

Temel Mimari​

UART izolasyon katı dört ana işlevi birleştirir:

• Dijital izolasyon:
  • Host tarafı: 3V3_UART_TX, 3V3_UART_RX
  • İzole taraf: ISO_UART_TX, ISO_UART_RX
• İzole DC-DC dönüştürücü:
  • Giriş: 3V3
  • Çıkış: VISO_3V3
  • İzole toprak: GNDISO
• Besleme filtreleme ve EMI bastırma
• Güç aktivasyon kontrolü: 3V3_POWER_EN

Kullanılan Entegre: Texas Instruments ISOW7821​

UART izolasyonunun merkezinde Texas Instruments ISOW7821FDWE izolasyon entegresi bulunur. Bu entegre:

• Çift yönlü dijital izolasyon kanalları sağlar
• Dahili izole DC-DC dönüştürücü içerir
• UART hattını tam izolasyonla güvenli hâle getirir

Temel pin eşlemeleri:

• Vcc / GND → birincil 3.3V besleme
• VISO_3V3 / GNDISO → izole 3.3V çıkışı
• InA / OutA / InB / OutB → UART TX/RX hatları
• EN1 → 3V3_POWER_EN ile kontrol edilir

Besleme ve Filtreleme Ağı​

ISOW7821’in her iki tarafında da üretici önerisine uygun çok kademeli filtreleme uygulanmıştır:

Giriş tarafı (3V3 – GND):

• FB1: Ferrit boncuk (HF gürültü süzme)
• C24, C27: 1 µF
• C25, C26: 100 nF
• C29: 2.2 µF

İzole taraf (VISO_3V3 – GNDISO):

• C28: 4.7 µF
• Yakın yerleşimli küçük kapasitörler, DC-DC kararlılığını artırır

Ayrıca Y2 sınıfı güvenlik kapasitörü ile ortak mod gürültüsü kontrol altına alınır.

3V3_POWER_EN ve Güç Yönetimi​

• 3V3_POWER_EN aktif HIGH çalışır
• R75 (10 kΩ) hattı belirli bir seviyede tutar
• C28 ani akım çekişlerini yumuşatır

Bu sayede UART izolasyon bloğu yalnızca gerektiğinde devreye alınabilir.

UART Hatları ve Direnç Ağı​

• R71–R74 (33 Ω): Sinyal hattı sönümleme, EMI azaltma
• R67–R70 (47 kΩ): Pull‑up dirençleri, hatların idle state’de HIGH kalmasını sağlar

Bu yapı, host bağlı olmasa bile UART hattının stabil kalmasını sağlar.

İzolasyon Mesafeleri ve PCB Kuralları​

ISOW7821 etrafında IPC9592 standardına uygun olarak:

• İzole ve non‑izole alanlar arasında ≥ 6 mm creepage/clearance
• Bakır boşaltmalar ile iki bölge tamamen ayrılmıştır

Bu yapı sayesinde host sistemi yalnızca tamamen izole edilmiş UART sinyallerini görür ve yüksek gerilim sahasındaki transient veya hata durumları host tarafına taşınmaz.

Faz Gerilim Sense İzolasyon Katı (R / S / T)​

B202AA-PCIe modülünde ölçülen faz gerilimlerinin (VR / VS / VT), yalnızca MAX78630 tarafından işlenmesi değil, gerektiğinde host sisteme izole edilmiş analog “sense” sinyalleri olarak sunulması amaçlanmıştır. Bu nedenle şemada 3., 4. ve 5. sayfalarda yer alan R / S / T Phase Sense Signal Isolation blokları tasarlanmıştır. Her üç faz için yapı tamamen aynıdır.

Bu izolasyon katı, iç analog ölçüm alanındaki POVR / POVS / POVT sinyallerini alır ve bunları kart kenarında bulunan SENSE_VR / SENSE_VS / SENSE_VT pinlerine güvenli, galvanik olarak izole edilmiş analog sinyaller olarak iletir.

Blok Mimarisi ve Net Yapısı​

Her faz için giriş–çıkış hatlarının isimlendirmesi şu şekildedir:

• Giriş (izole ölçüm domain’i):
  • R Fazı: POVR
  • S Fazı: POVS
  • T Fazı: POVT
• İzole çıkış domain’i (host tarafı diferansiyel sinyal):
  • POSENSE0VR / NLSENSE0VR
  • POSENSE0VS / NLSENSE0VS
  • POSENSE0VT / NLSENSE0VT
• Mini PCIe kart kenarı:
  • SENSE_VR, SENSE_VS, SENSE_VT

Bu yapı sayesinde kullanıcı ister diferansiyel, ister tek uçlu referans ile faz gerilimlerini okuyabilir.

Bir Fazın Tipik Akış Yapısı (R Fazı Örneği)​

R fazı için kullanılan yapı (3. sayfa — R Phase Sense Signal Isolation) şu adımları takip eder:

1. İç ölçüm domain’inden gelen POVR sinyali izolasyon bloğuna girer.
2. Analog izolasyon devresi üzerinden galvanik izolasyon uygulanır.
3. Host tarafında POSENSE0VR / NLSENSE0VR diferansiyel çifti üretilir.
4. Bu çift kart kenarındaki SENSE_VR pinine yönlendirilir.

S ve T fazları için aynı yapı POVS → SENSE_VS ve POVT → SENSE_VT olarak birebir tekrarlanır.

Amaç ve Kullanım Senaryoları​

Bu izolasyon katı aşağıdaki ihtiyaçları karşılamak için tasarlanmıştır:

• Güvenli Faz Gerilimi Telemetrisi:
  Host sistem, şebeke gerilimine doğrudan bağlanmadan faz gerilimlerini güvenli şekilde izleyebilir.

• Galvanik Ayrım:
  Ölçüm domain’i ile host domain’i arasında tam elektriksel izolasyon sağlanır; transientler veya toprak kaymaları host tarafına ulaşamaz.

• Standart Analog Çıkış:
  Harici ADC, kontrolör veya veri toplama sistemleri SENSE_VR/VS/VT pinlerini doğrudan okuyabilir.