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电阻分压模拟电芯输出会出现哪些故障问题？

如何使用简单的电阻分压来做 AFE 的供电与采样输入？
电阻分压模拟电芯输出会出现哪些故障问题？

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张蕾

2021-3-11 15:00:25
做研发真的是有干不完的活,尤其是做硬件的小伙伴,作为单板的 owner,要与其他各个领域打交道,开不完的会,扯不完的皮,甩不完的锅,解决不完的问题,抱怨出来又显得矫情,最终大多数只有硬抗着。

今天的吐槽结束,这次就讲一个测试中的案例吧。之前有篇文章介绍过电池模拟器,因为其输出电压、输出电流可以灵活配置,而且精度很高,所以是我们在调试采样板中不可缺少的设备。

但是,电池模拟器的价格不菲,国外的产品很贵,单通道大概 1W 左右;目前国内的厂家做得也不错,而且价格相对低一些,但总体来讲,电池模拟器还是相对较贵的。所以,在不要求高精度测试的场合下,大家可能会使用简单的电阻分压来做 AFE 的供电与采样输入,具体如下图:R1、R2、R3 为分压电阻,一般阻值相等,这样每个电阻的分压也相同;电阻分压后输入到 AFE 的各个电压采样通道。



采用上面这种电阻分压的方式,乍一看是没有问题的,但是其实里面是有事情的,下面就详细讨论下。各家的 AFE 采样威廉希尔官方网站 大同小异,主要是下面的这两种形式:对于形式一,在采样端口处放置了对地的共模电容 C;对于形式二,采样端口在经过一个电阻 Rc(几百Ω～几千Ω)后,放置一个对地的共模电容 C。



对于上面这两个形式,存在这样一种场景:先把分压电阻与采样板连接好,然后直流电源再输出电压,拿形式一的威廉希尔官方网站 举例:如下图,当开关闭合后,直流电源给 C1、C2、C3、C4 四个电容进行充电。



但是这四个电容的充电电阻是不一样大的,C1 是电源直接充电,而 C2 是由电阻 R1 进行充电,C3 是由电阻 R1+R2 进行充电,C4 是由 R1+R2+R3 进行充电;这样的话,由于每个电容的充电速度不一致,导致电压采样通道在电容充电过程中,可能会出现过压的现象,进而损坏 AFE。我们简单仿真一下,如下图:假如分压电阻选择 100Ω,电容选择 100nF,直流电源为 12V,在分压电阻与采样板连接稳定后,每个通道分得的电压均为 4V,这个没啥疑义。



我们关注的是在开关 S1 闭合后、电压达到稳定前时各个通道可能出现的电压值,那么就再仿真一下;下图就是 S1 闭合瞬间手动截取到的电压值,实际第一个通道的电压瞬时值达到了 10．2V,那么是有可能超过采样通道的最大过压值的,进而造成 AFE 损坏。



同样地,针对形式二的威廉希尔官方网站 ,同样也会存在这样一个瞬间的过压现象,假设通道上面的串联电阻取值 100Ω来进行仿真;我发现第一个通道的电压最大出现在 5V 左右,也会超出稳态下的 4V,但是比前面的电压要小得多,而且每个通道上面的电压差距缩小很多。



继续增大这个串联电阻到 1KΩ,如下图,仿真发现此时三个通道的电压几乎同步增加,相差不大。



其实上面几个不同现象的解释很简单:就是因为每个电容上的串联充电电阻越来越接近,导致每个电容的充电速度相差不大,也就是电容上面的电压接近同步增长。所以,如果使用电阻分压的方式来模拟电芯电压,为了避免出现过压导致 AFE 损坏,我们需要尽量让每一个电容的充电速度一致;如果是形式二的威廉希尔官方网站 ,我们通过调整分压电阻值即可;但如果是形式一的威廉希尔官方网站 ,可能需要多加一个限流电阻,类似下图的 R4,阻值需要进一步计算。

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