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電源測試必知必會(huì) —— 信號(hào)鏈

閱讀:1149        發(fā)布時(shí)間:2020-10-10
  • 信號(hào)鏈
    由于電池測試設(shè)備要求輸出電壓電流精度較高,特別是動(dòng)力電池測試系統(tǒng),這就需要我們弄清每一級(jí)信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)。典型框圖如圖 1 所示,由于一級(jí)信號(hào)放大倍數(shù)在 50~100 范圍,分流電阻壓降較小,微伏級(jí)別的電壓變化都會(huì)造成萬分位的誤差。


    圖 1 電壓環(huán)與電流環(huán)

    一級(jí)信號(hào)放大
    輸入偏置電壓造成的的直流誤差在設(shè)備后校準(zhǔn)工序中可以消除掉,但是根據(jù)溫度,輸入輸出條件而變化的誤差卻很難通過線性校準(zhǔn)消除掉,一級(jí)主要影響因素有:

    1. 放大器的 Input voltage offset drift
    一般根據(jù)設(shè)備的溫升值,選取合適的取值范圍,通常應(yīng)用場景如表一所示:

    表 1:典型應(yīng)用環(huán)境



    電流檢測采用儀表放大器 INA821:溫漂 0.4 µV/°C

    可以得知大電流時(shí),分流電阻壓降 60mV,溫漂帶來的 INA821 輸出漂移為 0.4*50=20 µV,此時(shí)誤差為 0.0333%,實(shí)際電路板的溫升低于 50℃,因此 INA821 在實(shí)際使用中也占據(jù)較好的優(yōu)勢。同時(shí)也可以選型零溫漂器件如 INA188。

    2. 放大器的共模抑制比 CMRR
    在高精度的電池測試設(shè)備中通常使用具有良好噪聲環(huán)境高可靠性的高側(cè)電流檢測方法,由于共模電壓較高,需要使用共模抑制比較高的放大器。首先,共模抑制比可以表示為



    Ad 為共模增益,Acm 為差模增益,共模抑制比帶來的誤差可以表示為



    Vin_cm 輸入共模電壓,Vin_d 為輸入差模電壓,共模誤差似乎是一個(gè)可以被校準(zhǔn)的誤差,當(dāng)共模電壓不變時(shí),這的確可以被軟件校準(zhǔn)抵消掉,而由于實(shí)際的分容電池電壓是從 0V 增長到滿電 4.2V,此時(shí)共模電壓隨著充放電時(shí)間而變化,那么共模誤差將會(huì)成為不可校準(zhǔn)的誤差了,此時(shí)需要選用 CMRR 較高的器件。在增益 100 倍時(shí),根據(jù)式(1)(2)給出幾種不同器件 CMRR 帶來的誤差:



    3. 其他因素
    其他無源器件的選擇上如分流器等,也有采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒梢越档蜏仄瘞淼恼`差,這里不做贅述。

    當(dāng)然也有存在一些廠家通過實(shí)現(xiàn)多段擬合的方法盡量降低校準(zhǔn)時(shí)的非線性誤差,但是由于批量生產(chǎn)時(shí)的一致性問題,這需要很大的工作量通過批量的數(shù)據(jù)校驗(yàn),找出具有普適性的溫漂多段校準(zhǔn)折線,但是如果因?yàn)橐恢滦缘膯栴}也容易導(dǎo)致出現(xiàn)過擬合誤差。

    第二級(jí)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)
    補(bǔ)償器中運(yùn)算放大器這一級(jí)的增益 10 倍以內(nèi),補(bǔ)償器的輸出電壓在 1V 以上,通常運(yùn)放的噪聲以及溫漂都在微伏級(jí)別,造成的誤差也只是十萬分位的差值。由于電池測試設(shè)備所需要的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)不高,因此補(bǔ)償器參數(shù)的設(shè)計(jì)只需要保證良好的穩(wěn)態(tài)特性即—充足的相位裕度,較大補(bǔ)償器的直流增益。

    電流指令給定與數(shù)據(jù)采集
    小電流電池測試設(shè)備只需要一兩片 ADC 與 DAC 可以解決整機(jī)的電流指令的傳輸與信息的采集,采用如圖 2 所示的結(jié)構(gòu),多 MUX 的方案可以實(shí)現(xiàn)主控板 ADC 或 DAC 與測試通道 1:128 或者 1:256 的用量。


    圖 2 MUX & ADC 采樣電路

    由于前面提到系統(tǒng)軟件校準(zhǔn)技術(shù),因此誤差主要來源于 ADC 非線性誤差 INL,溫漂,以及考慮在小電流電池測試設(shè)備中,讀取系統(tǒng)中所有通道的電壓電流值的時(shí)間可以為秒的量級(jí),因此需求的采樣率不需要很快,但是為了滿足千分之一的電流精度,需要 bit 位 12bit 以上的成本敏感型 ADC,如:



    而大電流電池檢測設(shè)備中,目前市面上新出廠的設(shè)備可達(dá) 0.02%,那么需要 ADC 精度較高,且每通道采樣率大于 1kHz,提高系統(tǒng)的電壓電流值刷新率,允許雙極性差分輸入的 ADC 提供更寬的電流變化范圍,同時(shí)保證了從儀表放大器到 ADC 檢測所有信號(hào)鏈中的參考均為地。采樣速率低于 100kHz 時(shí),delta-sigma 的 ADC 較為常見使用:建議采用 ADS131M08

     

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