动态量程自适应技术用于电流测试

 

50nA - 50A量程——高精度不间断测量

在设备及零部件产品开发和试验过程中,因产品由电池或其他DC电源供电,所以对于产品工作电流的检测与分析显得至关重要。由于采用复杂的电源管理机制,产品往往需要在不同工作模式之间连续切换,从而导致工作电流值范围跨度极大。针对此类电流测试,常规测量方法有着很大局限性,而自适应量程测量技术让该类测试成为可能。德国imc测试测量有限公司攻克各项技术难点,将自适应量程技术应用于其数据采集模块中,采用CAN总线传输试验数据,从而为实验室、台架和车载的大动态范围电流测试提供了更加精确便捷的解决方案。

测量中的动态自适应量程

目前imc的高分辨模数转换技术已经实现了足够大的动态范围的电流的测量,这种技术实现了多块板卡之间的动态调整,并将所有板卡设计在一个固定尺寸的容器之中。通常来说,待测的传感器、物理信号和物理过程需要一个很宽的测量范围,因此必须考虑量程可调整的解决方案(如信号预放大处理),这样才能使得这种技术发挥最大的作用。


一般来说,传统的解决方案中电流测量的量程是在测试开始之前就确定的,而量程自适应技术则实现了测试过程中量程的动态调整。尤其是当测试工程师无法预期实际的量程或者测试必须包括整个动态范围并将其完整的记录下来时,量程自适应技术是一种行之有效的解决方案。


在电压测量中,如果测试工程师希望获得远超ADC的分辨率(如24bit)的动态范围,那么他只要增加预增益就可以实现。但是使用分流的方式进行电流测量时,要求则更为苛刻,需要在确保不会中断测试电流或者影响到测试范围内的测量连续性的前提下进行分流电阻的调整。


动态电流测量的其中一个典型应用场景是分析完整上电循环的连续测试,包括睡眠模式下的微漏电流、启动时的浪涌和冲击、工作时的高功耗和恢复到睡眠模式的过程。这种测试必须是非反应式的,也就是说在整个测量周期中,测量设备不应对待测物理量有任何的影响,并且在整个测试过程中提供足够的测量精度。这种上电循环测试在汽车领域应用十分广泛,如在测试场中检查汽车中多种电子零部件和控制设备的电流特性以及车载电器系统的复杂的相互作用。此外,在移动设备的开发和测试中也会面临类似的上电循环的任务,这些设备包含电池、无线技术甚至能量回收等电子电器。

自适应量程电流测量可以实现什么功能?

用在什么场合?

  • 动态量程(满功率以及睡眠模式)
  • 组件和系统的上电测试
  • 划定工作区域/操作点
  • 周期信号限制使用

如何使用?

  • 在线自适应量程
  • 连续数据采集
  • 负载电路无干扰

电流测量:一个特别的挑战

测量电流时分流电阻必不可少,选择一个合适的分流电阻至关重要,而选择的每个分流电阻又有其自身的局限性。一方面,分流电阻必须足够大以便提供一个明显的电压信号,避免被噪声和干扰变量影响,另一方面,分流电阻越大,功耗会越大,而供电功率是有一定限制的。假定测试时最大工作电流的为50A,那么可选的分流电阻不应超过2 mΩ,因为功率已经达到5W,5W是一般设备的典型功率。在最大工作电流50A的情况下,最大电压为100mV,选用合适的放大器,如24bit的1V的ADC,也依然可以测量到准确的电流。但是,如果测试工程师希望在测量50A电流的同时也能够50nA大小的电流,如漏电流,那么由于受限于物理特性,只采用一个固定的分流电阻,根本就无法实现这种情况的电流测量。因为对于2 mΩ × 50 nA = 0.1 nV级别的小电压无法与噪声和热电压区分开来,即使采用额外的放大器,也无法实现。如放大器的放大因子为1000,那么也只能把电压信号增加到0.1 µV (图 1a)。这种预增益只能是由分流电阻自身产生。

如图1b,在原来分流电阻的基础上又串联一个分流电阻。这个2 Ω的分流电阻比之前的分流电阻阻值大了1000倍,只有在小电流的时候才会激活这个电阻。当待测工作电流的变化到一定阈值时,系统会动态的切换到这个电阻。

 

 

图1a: 单一电压增益局限性
图1b: 分流电阻切换电路

图1c说明了这种组合如何实现30bit的动态范围,最大值和最小值之比达到了109。数量级的差距可类比于你能够同时测量一个蚊子的质量(2mg)和一个大象的质量(2吨= 2 × 109 mg)。

图1c:分流电阻切换点和动态量程范围

综上所述,这种电流测量技术的基本原理如下:

imc电流测量模块的核心是选择合适的电流测量路径。首先用一个2  mΩ的低阻值分流电阻,使其一直处于激活状态,用于测量最大电流。然后串联一个2  Ω高阻值的分流电阻用于测量最小的电流,当待测工作电流低于1000mA的阈值时,通过一个快速开关,动态控制2Ω的分流电阻的开关。用一个采样率为30kS/s的24bit的ADC测量两个分流电阻的电压值,然后再用处理器对其进行筛选、放大和校准。通过CAN总线以1Hz到1kHz的采样率将测试数据输出。输出的变量中包括被选择数据的最大值、最小值和平均值,这些输出值源于30kHz采样率得到的内部数据。

动态切换:

在实际的测量中,分流电阻切换响应必须要足够快,如果电流突然增大,必须立即短接高阻抗分流电阻,不仅可以防止电路烧掉,同时也避免了负载电路中的负载电压峰值。由于负载电路中的(瞬态)压降,会影响甚至断开测试的负载组件。

因此,分流电阻短接通过一个快速比较器控制,重新切换成高阻抗分流电阻会有延迟(图6)。分流的快速启用(<1us)以及缓慢停用(<1ms)的迟滞水平(切换阈值)和时间滞后保证了安全和稳定的状态过渡。

Non-reactive
Figure 2a: Non-reactive
Bypass control
Figure 2b: Bypass control
图 2c: 动态分流电阻切换

因此,即使在电流以10A /us的速率快速增加(浪涌,冲击)的情况下,把通过负载的压降限制到大约400mV,仍然可以实现无干扰切换。在分流电路中,一个合适的电容有利于平缓过渡区域的电压瞬变,直到比较器做出响应(图3)。这个概念也适应于具有高动态特性的测试对象,比如,开关稳压器,LED驱动器等。

图3:浪涌情况下通过负载的最大压降

迟滞截止时间和并行测量路径(ADC)的建立时间一样被掩盖了,数据输出频率被限制到100Hz,但是,在“固定模式”下,自适应量程分流电阻切换可能失效,最大数据输出频率可到1kHz。

 

 

通用的CAN模块

自动量程的概念由通用CAN总线测量模块来实现,主要用于实验室和试验台。 imc CANSAS-IHR (图4)具有坚固的铝型材外壳,它结合了两个独立的,电气隔离自动量程测量回路,对于电流测量可提供上到30V(DC)的供电,其隔离功能允许把测量点布置在任何位置:供电或回流导线(高压侧/低压侧),测量部分或者全部电流。


此外,数字信号处理和控制系统的精心设计尤为重要,在PCB布局中传输大电流可通过这些方式,比如连接技术,功率分流以及FET开关。精密分流器是最典型的方式之一:对称热通量必须确保寄生热电偶在接头处不会导致误差和漂移增加,并且要把自加热的影响降到最小。

 

 

imc CANSAS-IHR高精度电流测量模块

  • 电气隔离型电流测量,使用分流电阻
  • 测量对象:最大可到18V的直流供电负载
  • 高电流工况下,使用两路分流电阻动态切换电流路径(短接)
  • 动态范围选择:自适应量程
  • 30bit动态量程:50 nA - 50A
  • 可获取以及输出平均值以及最大、最小值
  • 输出频率可选择1 Hz/10 Hz/100 Hz,内部采集和处理频率30 kHz
  • 静态测量量程模式下(50A,无自适应量程)数据采样频率可达1kHz

自适应量程什么时候有效?

一般来说,自适应量程方法是有效的,尤其是对于这里描述的这些应用:涉及连续穿过以及仍在分离工作区域(图5)的应用。事实证明,采用低噪声和适当增益对微弱的被测信号进行优化处理,从而获得有效的数据分辨率,其效果是显而易见的。

自适应量程不是对任何测量情形都是有效的。对于周期信号,例如,其通过FFT进行频谱分析,以下应该注意:如果信号范围内的部分,即小振幅的部分,使用自适应增益处理(例如,g=1000),低噪声级也只在总时间的一小部分中有效,即1/1000(图6).背景噪声FFT的影响(噪声本底),由粗糙量程的信噪比(SNR)控制。因此,自适应量程对于频谱数据的信噪比作用可以忽略不计。

自适应量程有效性的进一步必要先决条件是其精确或缩小范围必须是零对称分布。处理的信号因此必须位于单极或者双极信号范围的零点周围。因为我们不关心交流耦合,而关心自适应性线性增益。当在这种类型的电流测量下,它不适应于完全不同的应用,比如使用应变片进行桥路测量,因为在这种情况下信号通常被初始偏移量影响,需要加以补偿。

图5:自适应量程什么时候有效?
图6:周期信号限制使用自适应量程

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