案例分析：电阻分压模拟电芯输出带来的故障问题

laoxiang21

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（图片来源于网络）。


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采样电路大同小异，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，拿形式一的电路举例：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，针对形式二的电路，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；如果是形式二的电路，我们通过调整分压电阻值即可；但如果是形式一的电路，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。


总结：节前事情特别多，估计放假了也不会消停，无论如何，能回家就好；以上所有，仅供参考。