脉冲式数字ESR表的分析与设计（合作帖续篇）

小鬼头

小鬼头 发表于 2024-1-10 16:45
脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究六

脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究七

      上一个研究的设计草图4的保护电路部分，是直接搬迁过来的，并没有进行过验算。
      验算后发现,草图4中的保护电路在容量测量模式（以及电池内阻模式）下，他对有效测试信号会产生限幅作用，会导致测试不正常。为此，作了一番计算。根据计算结果，证实通过适当调整保护电路元件的搭配，可以省去TVS和SCR这两种较为特殊的器件，从而令所订的“尽量使用通用器件”目标可以得到进一步实现。
      再对AC放大器加入电池内阻测量所需的PGAX10（提升10倍的AC放大能力）后，得到了如下的设计草图5（也即是35楼交Abbey用于PCB制作的设计草图n):







    一、保护电路的设计计算

    计算用图如下：

   

    本机在工作时，图中所列的各个电压的总和Vtot，不得超过电源电压+3.0V，否则，就会导致测试异常。

    （一）电压计算

    这些电压包括：

    1、恒流源的检流电阻压降Vsen。机子工作时，最大的Vsen=1.0V。

    2、给恒流源BJT管保留的压降Vsat，以免他进入饱和状态。此项要求Vsat=0.3V

    3、激励电流在隔直保护电容C3上形成的电压Vc。其中包括C3自身的ESR形成的压降，即是有Vc=Id*tc/C+Id*ESR。
    本机电路运行时，最大激励电流为Id＝100mA，激励脉冲宽度最大为tc=100uS（容量测量模式以及电池内阻模式时出现）。22u/400V高压电解的ESR，按ESR＝5Ω来计算较为稳妥。
    于是可计得Vc=454mV+500mV＝954mV。其中ESR部分的压降比较可观，已达到500mV——前面我分析原型机时漏算了保护电容ESR压降部分引入的非线性误差。如果把他计算在内，那么，原型机在0.01~0.99Ω量程的误差就不会是原先估计的1%，而是会达到3~5%。

    4、自恢复保险丝PPTC的压降Vp。设计时，特意选用了内阻较低的180mA/250V规格，其内阻为1~2.2Ω。按3Ω计，在100mA激励电流驱动下，有Vp=300mV。

    须注意的是：金科的JK250系列自恢复保险丝datadheet显示，JK250－180T的内阻才符合设计要求，JK250－180U的内阻则偏高，为2~4Ω。我在淘宝买到的不知生产厂家的180mA/250V规格PPTC，实测与JK250－180T的内阻规格相一致。

    5、测试检出信号Vo，包括2个部分。

   一是FS信号，FS＝100mV。
   二是偏移信号Vos，由表笔引线、接触电阻等带来，最大有Vos=100mV。因为本机的表笔“补偿”功能，允许表笔引线、接触电阻等电阻Rc的最大值为1Ω（注：电池内阻测量模式的1mΩ档位，则只允许Rc的最大值为100mΩ）。
    因此，Vo=200mV。

    （二）核查电压总和情况并对保护二极管作出安排

    由上面可计得，各个电压的总和为Vtot=2.754V，低于3.0V的电源电压，因此，不会出现信号削波的问题。

    后3个电压Vc、Vp、Vo的叠加后的电压达到1.454V，如果保护二极管安排不恰当，那么，这个1.454V电压将会导致这些保护二极管产生预想外的导通。因此，安排了4只1N4004串在一直，在此处提供保护。

    一只1N4004提供的“空间”约是400mV（本人实测400mV时1N4004的漏电流只有10uA级），4只一共可提供1.600V的空间（multisim仿真显示，4只1N4004串与1.6V相并接，漏电流也是10uA级）


    ——以上是保护电路的计算。实际上，本人的计算顺序是反过来的，也就是，先是确定电压要求，才决定C3隔直保护电容的取值，以及确定保护二极管串的数量。


    二、电池内阻测量功能的实现

    1、所需的PGAX10

    原型机测试最小分辨阻值是0.01Ω。要满足电池内阻测量的需求，就需将最小分辨阻值提升扩展至0.001Ω（即1mΩ）。对于电路来说，把有效测试信号电平提升10倍，就可达到此目标。

    这由草图5的PGAX10控制端口来执行此功能。PGAX10激活前，纯AC放大器部分的名义放大倍数为14倍（总体是12倍），PGAX10激活后，则提升为140倍（总体是120倍）。

    图中R19的270Ω取值是借助Multisim仿真得到的。由于MCU的I/O引脚内部MOS管的导通电阻具体值不清楚，只能仿真出个大概来。

    当MCU的此PGAX10引脚为“开漏方式L电平”时，PGAX10被激活，“开漏方式H电平”时则关闭PGAX10。  


    2、测试脉宽的安排

    由于保护电路的限制，电池内阻测量模式的脉宽安排为100uS。
   
    根据我的推算（见下一节的误差分析），这个脉冲宽度，大概相当于3kHz的测试频率。假如想按照通常的电池内阻测试方法，去取1kHz的等效测试频率，那么，脉宽就要安排为300uS。由上面可知，保护电路将会对有效信号产生限幅作用，会带来与草图4相同的容量测试功能不正常的问题。


（待续）

tdwx

感谢大师的无私奉献，期待作品早日完成。

abbey_tom

/*  以指定参数执行一次测量  
    excitI：指定电流档位，以0－3由小到大表示四个电流档位
    curPGA：是否使用PGAX10（1为放大10倍，0为不放大）
*/
u16 Take_a_Measurement(u8 excitI,u8 curPGA)
{
        u16 counter=0;
        Vref_ReturnTo0;    //参考电压泄放
        DUT_DisChargeStart;//DUT残留电压泄放
        delay_ms(10);
        DUT_ChargeReady;//DUT准备充电
  Vref_EstableReady;//参考电压准备启动       
        if(curPGA)PGAX10_Contrl=0;//放大10倍
  else PGAX10_Contrl=1;        //不放大
       
        TIM1->CCR1=2;
        TIM1->CNT=0;
        TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);//启动PWM建构锯齿波参考电压
        //
        while(1)
         {
                DUT_DisChargeStart;//DUT残留电压泄放
                delay_us(492);
                if(counter>=MAXMEAS_VAL)
      { counter=0; break;}//计数大于限定值，强制置为0退出
                counter++;
               
                DUT_ChargeReady;//DUT准备充电
                TurnExcitCurr(excitI, T_ON);//开启激励电流给DUT充电
                delay_us(7);
//                TurnExcitCurr(excitI, T_OFF);//关闭激励电流
                /* 在激励脉冲结束瞬间，检查比较器输出 */       
                if(IsVrefExceedVdut(5,3)) {/* 参考电压开始超出DUT电压 */       
                tim_ccr=TIM1->CCR1; break;}
                TurnExcitCurr(excitI, T_OFF);//关闭激励电流
         }
        TurnExcitCurr(excitI, T_OFF);//关闭激励电流
        TIM_Cmd(TIM1, DISABLE);//停止PWM锯齿波参考电压

        Vref_ReturnTo0;//参考电压泄放
        DUT_DisChargeStart;//DUT残留电压泄放

        return counter;
}       

abbey_tom

用上述测量代码，初步试验了一下
各档计数记录如下：
可能有些元件，如2.7MΩ没有按设计图，
硬件状态及软件也没有调整好。
也没有补偿或校准，扣除偏移等动作，
不过，数据总体趋势好像是正常的。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2024-1-22 21:25
用上述测量代码，初步试验了一下
各档计数记录如下：
可能有些元件，如2.7MΩ没有按设计图，

你试验板的pwm波形纹波比仿真结果大很多的问题搞好没有？

看你给出的这几组数据，似乎在80欧（整个量程1~99欧）起的这个量程末段，锯齿波的SR有突然减少的现象。而80欧以下这一大段，则正常。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2024-1-23 16:30
你试验板的pwm波形纹波比仿真结果大很多的问题搞好没有？

看你给出的这几组数据，似乎在80欧（整个量 ...

并联了一个103容量的独石电容，
似乎改善了一些，
不过，纹波依然较大，
中间部位目测波动峰峰值达300mV,
看来滤波还是不够。
我现在采用的是5局3胜制（连接读比较器5次，3次以上为低才算翻转）。

daw85

我也做了一个，锯齿波电路波形比你这个更难看，中间部分波动太大了

daw85

波形见图，感觉中间波动太大

abbey_tom

daw85 发表于 2024-1-24 08:21
波形见图，感觉中间波动太大

看起来，
这个简单的RC滤波好像不行。
你这个波动有好几百mV了，
我是又并了一个103才改善一些的。

飞翔的空灵

期待出出成品

小鬼头

abbey_tom 发表于 2024-1-24 08:30
看起来，
这个简单的RC滤波好像不行。
你这个波动有好几百mV了，

我回头查了一下我设计时的PWM仿真文件，发现是我当时在来回改参数作偿试的过程中，最后把PWM模块的1个关键参数搞错了。所以才得到纹波情况与实际相差甚远的结果。

这个关键参数是PWM模块的时钟频率，正确的时钟应该为2kHz。我仿真时误设置为20kHz，因此，仿真的效果与实际相差10倍。

改回正确的2kHz时钟后，设计草图n的RC取值（47k/0.01u）下，仿真出来的锯齿波结果如下图，纹波相当大，达100mV的Vpp值。





这个纹波太大，会导致测量工作不正常。

你们可以先把R或C的取值增大至原来的10倍作试验，此情形下的仿真结果如下图。







下图显示了纹波情况的细节，可看到，纹波的Vpp值不到10mV。





把R或C的取值增大至原来的10倍后，锯齿波的SR会在初始阶段变得不佳。现在这个锯齿波波形，不影响ESR和R测量模式的工作，足以供目前的试验之用。但是，容量测量模式需要锯齿波波形的SR一直保持固定，只有这样，才能得到准确的增益校准用参数，否则，会带来一定的误差。

如果改用DAC输出替代PWM，以此来生成锯齿波，应该就能迅速解决这里的问题。

容量测量模式因为此问题而增加的误差是否可接受，还是要将锯齿波的生成方案由PWM改为DAC？待我再考虑考虑。

小鬼头

我到时计算一下，也给出一个用DAC生成锯齿波的备用方案（或许会成为正选方案）。


注：本来是重复回帖，就顺便多说一句。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2024-1-24 09:07
我到时计算一下，也给出一个用DAC生成锯齿波的备用方案（或许会成为正选方案）。

改成DAC方案的话，
又得选用更好的MCU，
DAC产生高频模拟信号，
对MCU也有较大的负担，
基本上又回到了老的思路。

还不如回到我提过的方案，
锯齿波电路和比较器省去，
锯齿波由MCU虚拟，
采用软件比较。

从ESR测量来看，
采样那8us持续时间的信号，
还是很轻松的，
并且可以做到减少测量时间，
重复采样十来次信号取平均就可知ESR了。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2024-1-24 14:17
改成DAC方案的话，
又得选用更好的MCU，
DAC产生高频模拟信号，

用adc代替比较器，需要uS级的能力。用dac代替pwm，则不需要这么高速的能力。两者不可同日而语。

就目前的电路来说，仅需要dac有数百uS的能力即可，这很轻松。即使是我前段时间构思好的四线版数字esr表也只需要数十uS级的能力，这应该也没有问题。

—— 所构思的四线版esr表，采用四线测量方式，因为能有效消除接触电阻的不良影响，可以大幅提升低阻档以及最大容量（10u～99u）档的测量精度，电池内阻/电阻档扩展至1000字。但这个也仅是纸面上的设计，一切还得待当前的两线版试验成功再说。

实际上，还有第三个锯齿波生成方案，即是采用原型机的模拟电路生成方案。但电路略显复杂，而且因为电源电压比原型机低，受到了更多的不利因素影响，采用简单电路形式时，在精度方面可能不是很理想。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2024-1-24 15:09
用adc代替比较器，需要uS级的能力。用dac代替pwm，则不需要这么高速的能力。两者不可同日而语。

就 ...

我觉得您进入了误区，
从ESR目前的测量来看，ADC足以应付。
8us的信号持续时间，相当于8*14＝132个ADC时钟，
而ADC的采样时间可设定为1.5、7.5、13.5、28.5、41.5.……直到239.5个时钟
当设置为41.5以下各档采样时间，
则完全有充足的时间实现正确采样，
可安排ADC在8us的尾段开始采样。
只要采样精度优于1%
就可以和理论值进行比较获得ESR，
并且无论ESR处于1－99内的何值，
都可以重复任意次数，
对采样进行平均值或中值滤波，
即使对于ESR值小于10

而DAC首先是低档MCU没有这东西，
即使有可能也比较费资源。