Измерение тока нагрузки ЛБП с постоянной двойной интеграцией

[Andrew Nikonov]

Проектирую для себя ЛБП с гальванически развязанными каналами (пусть 2шт). Схема задания режимов - МК, дисплеи, кнопки, крутилки - будет питаться от отдельного БП.

Для показометра напряжения собираюсь использовать или отдельный АЦП, или МК со встроенным - вроде бы здесь нет необходимости городить интегратор, т.к. ЛБП в большинстве случаев будет работать в режиме CV с отсечкой по току, а для типового использования в режиме CC (зарядка, питание LED) достаточно нескольких сэмплов в секунду чтобы понять что твориться с напряжением (вверх/вниз).

Для условно точного измерения же тока хочу заиспользовать схему с двойным интегрированием с переключением диапазонов, а именно:
- селектор диапазона выходного тока 0-50мА, до 500мА, до 5А, который будет в верхнем плече до нагрузки подключать выход управляемого DC-DC на один из трёх (по кол-ву диапазонов) регулирующих полевиков, к которым "снизу" подключены токоизмеряющие резисторы (соот-но 10 / 1 / 0.1 Ом 1%);
- падение напряжения на токоизмеряющем резисторе будет при помощи ОУ приводиться к току заряда интегрирующего кондёра по типовой схеме датчика тока верхнего плеча (из доступного пока выбрал AD8605 - CMOS, питание 2.7-5.5В, Vos<=50мкВ, 10МГц, Rail-to-rail input);
- оперативное управление затвором выбранного регулирующего полевика будет идти от ОУ по типовой схеме ограничения тока.

Принцип работы такой:
Есть два интегрирующих кондёра Синта, Синтб - они работают в противофазе.
По внешнему таймеру током, пропорциональным току нагрузки, начинает заряжаться Синта (фаза заряда), и постоянным током начинает разряжаться Синтб (фаза разряда). Ток разряда заведомо немного больше максимально возможного тока заряда.
Как только потенциал на Синтб упадёт до "стартового" (за этим следят JFET/CMOS компараторы внизу) - во внешнюю схему таймирования отправляется сигнал "СТОП". По этому сигналу на стороне схемы управления засекается время от начала фазы разряда - оно будет пропорционально интегралу моментального тока во время предыдущей фазы заряда Синтб. После достижения "стартового" потенциала на Синтб происходит фиксация на этом же потенциале во избежание накопления ошибки между фазами.
Опять же по внешнему таймеру происходит смена фаз на противоположные - Синта начинает разряжаться, а Синтб - заряжаться.
Длительность фаз строго одинакова и рассчитывается по [Vos > (Iразр x tотсчёт) / Синт] и [tфазы = N x tотсчёт], где Vos - напряжение смещение нуля компаратора, а N - кол-во отсчётов регулирующей внешней схемы (грубо говоря чувствительность). За таймированием следит внешняя схема на МК.
Гальваническая развязка между каналом ЛБП и упр. схемой осуществяется через оптроны - по сути достаточно сигналов на выбор диапазона, переключение фаз, задание напряжения (в т.ч. опосредованно для DC-DC) и максимального тока (собираюсь использовать цифровой потенциометр MC41010, там SPI). На выход идёт пара сигналов "СТОП".

Мысль о трёх диапазонах появилась из необходимости как-то задать рамки току заряда и разряда кондёра, и при этом получить разумную его ёмкость - по результатам симуляции вменяемые значения точности <=1% получаются при токах заряда 100мкА-2мА, и разряда порядка 2.5-3.5мА, ёмкость кондёра тогда 1-4.7мкФ (исходил из того какие плёночные можно найти в магазине). Для компаратора с Vos=5mV(макс) по памяти частота отсчётов получалась порядка 500кГц.

Собственно вопросы:
1. (самый главный ) - имеет ли право на жизнь такая схема?
2. на каких компонентах лучше собрать:
- коммутацию сигнала управления токоограничивающего ОУ к затворам полевиков;
- коммутацию потенциала истока выбранного регулирующего полевика к инвертирующему входу ОУ датчика тока;
- (выбор диапазона предполагается до подключения нагрузки, когда на нагрузку подано напряжение диапазон меняться не будет - т.е. грубо говоря всё в ручном режиме).
3. т.к. доступные прецизионные ОУ пока нашёл только CMOS, а у них ограничение по питанию обычно 2.7-5.5V, получается что придётся запитывать от потенциала равного потенциалу на истоке выбранного полевика. как это лучше реализовать с учётом того, что в случае регуляции по току потенциал этот будет гулять относительно земли? (боюсь спалить этот ОУ))

Заранее спасибо за советы!

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[Falconist]

Теоретически сделать можно. Практически применение МК в качестве регулирующего звена для ЛБП - тупиковый путь. Тут при линейном регулировании не удается избежать выбросов, а Вы хотите "парой сэмплов в секунду" обойтись . Наивный...

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[vg155]

Я бы постеснялся такую картинку выкладывать. С С-планом не дружите?

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[Andrew Nikonov]

30 минут назад, Falconist сказал:

Тут при линейном регулировании не удается избежать выбросов, а Вы хотите "парой сэмплов в секунду" обойтись . Наивный...

Регулирование будет без МК - классическими способами на ОУ и, возможно uA723.
Лично пока с этой микрухой не сталкивался, но пишут мол якшы с подавлением как раз выбросов - естесственно проверю в симуляции.

Задача МК - отвечать за  (глобальное) задание режима работы и взаимодействие с пользователем.
Например - переключение диапазонов выхлопа, отключение нагрузки, приём информации что там каналы ЛБП намеряли.

22 минуты назад, vg155 сказал:

С С-планом не дружите?

Извините :-) Обычно я пользуюсь Multisim и Proteus. В мультисиме у меня есть схема, но она больше, запутаннее и вся обвешена тестерами. Посему решил на коленке нарисовать по существу.

[_abk_]

А чем для измерения тока не подошла обычная схема на АЦП МК?

[Andrew Nikonov]

10 minutes ago, _abk_ said:

АЦП МК?

Потому, что есть концептуальная разница между АЦП последовательного приближения (и некоторых других), и с методом двойного интегрирования.
В первом случае получаем моментальное значение, и на этом всё.
Во втором случае получаем грубо говоря среднее значение по времени.

[_abk_]

28 minutes ago, Andrew Nikonov said:

концептуальная разница

28 minutes ago, Andrew Nikonov said:

получаем моментальное значение, и на этом всё.

Что мешает усреднять показания АЦП? И получить среднее значение по времени?

Изменено 31 января, 2020 пользователем _abk_

[Andrew Nikonov]

8 minutes ago, _abk_ said:

Что мешает усреднять показания АЦП?

Теорема Котельникова, например, мешает ;-) концептуально.
Цифровая обработка сэмплов требует частоты сэмплирования минимум в 2 раза выше частоты изменения сигнала.
Иначе два подряд идущих снятий сэмпла может пропустить изменения сигнала с возвратом оного в предыдущее состояние. Это на пальцах, очень грубо.
В случае ЛБП никто наперёд не может сказать что там будет происходить с токовой нагрузкой - всплески в любую сторону и прочее мракобесие.
Например нагрузка будет иметь индуктивный характер.
Потому в мультиметрах (по крайней мере в дешёвых) стоит ИМС ICL7106/ICL7107/К572ПВ2, которая и занимается интегрированием.

Изменено 31 января, 2020 пользователем Andrew Nikonov

[_abk_]

 

39 minutes ago, Andrew Nikonov said:

Цифровая обработка сэмплов требует частоты сэмплирования минимум в 2 раза выше частоты изменения сигнала.

Какая, по-вашему, ожидается частота изменения сигнала? А какая планируется частота смена показаний на показометре? 

22 minutes ago, Andrew Nikonov said:

В случае ЛБП никто наперёд не может сказать что там будет происходить с токовой нагрузкой -

Если вы собираетесь измерять быстро меняющийся ток, усредняя(интегрируя) его значение за какой-то период, то чем это [концептуально] отличается от АЦП с ФНЧ на входе?  В обоих случаях информация о [быстрых] изменениях тока будет потеряна. 

[Andrew Nikonov]

53 minutes ago, _abk_ said:

чем это [концептуально] отличается от АЦП с ФНЧ на входе?  В обоих случаях информация о [быстрых] изменениях тока будет потеряна. 

вариант с ФНЧ - не вариант, т.к. хоть и ПОХОЖ на интегратор, но не то пальто.
простейший пример - меандр. что на входе ясно,.что  будет в случае интегратора - тоже. что получится на выходе ФНЧ - тоже понятно.
кроме того, если выбрать большую RC, то возникнет вопрос или в точности R или в ёмкости и утечках C
потому я отдаю предпочтение нормальному интегратору
кроме того, в случае если (зачем-нибудь, это я не оговаривал) понадобится информация о потреблении подопытного относительно ЛБП у-ва в с шагом хотя бы 100мкс-1мс (редко, но иногда бывает интересно), то на МК можно сохранять информацию о наинтегрированных значениях. а на показометр вообще можно выводить что там прошивка МК укажет - хоть то же усреднённое за M фаз интегратора.

Изменено 31 января, 2020 пользователем Andrew Nikonov

[Andrew Nikonov]

6 hours ago, vg155 said:

С С-планом не дружите?

Нарисовал в с-плане
Собственно, вопросы остались:
1. (самый главный ) - имеет ли право на жизнь такая схема? (пока существенных возражений не поступило - ФНЧ не подходит)
2. на каких компонентах лучше собрать:
- коммутацию сигнала управления токоограничивающего ОУ к затворам полевиков (S1 на схеме);
- коммутацию потенциала истока выбранного регулирующего полевика к инвертирующему входу ОУ датчика тока (S2 на схеме);
- (выбор диапазона предполагается до подключения нагрузки, когда на нагрузку подано напряжение диапазон меняться не будет - т.е. грубо говоря всё в ручном режиме);
- коммутацию входа к интегрирующим кондёрам (S3/S4 на схеме) - изначально думал взять CD74HC4066, но смущает ограничение на 0.6V дифференциального напряжения между входом и выходом ключей (из датащей, получается до 0.6В / Rds=95Ом(макс) ~6мА лимит на ток в худшем случае). может что-нибудь вроде КР590КНхх ? по описаниям там до 20мА, но документация скудная и опыта с ними нет.
3. т.к. доступные прецизионные ОУ пока нашёл только CMOS, а у них ограничение по питанию обычно 2.7-5.5V, получается что придётся запитывать от потенциала равного потенциалу на истоке выбранного полевика. как это лучше реализовать с учётом того, что в случае регуляции по току потенциал этот будет гулять относительно земли? (боюсь спалить этот ОУ)) - красный и синий проводники на схеме
 

BPSU Ch Concept v1.spl7

Изменено 31 января, 2020 пользователем Andrew Nikonov
better picture

[_abk_]

О какой точности вы постоянно рассуждаете? Вы хотите мерять ток на выходе ЛБП, про который

9 hours ago, Andrew Nikonov said:

никто наперёд не может сказать что там будет происходить с токовой нагрузкой - всплески в любую сторону и прочее мракобесие.

И собираетесь его интегрировать? Что вы там намеряете? Нечто? 

Нет никакого ТЗ, не сформулирована цель, а вы рветесь что-то проектировать и рассуждаете о деталях, хотя не определили главное.  Вот скажите, что вы хотите мерять, с какой точностью и зачем? Пока  же тот геморрой, что вы продвигаете, заменяется банальным АЦП с ФНЧ. Или обычным стрелочным амперметром.

[Andrew Nikonov]

6 hours ago, _abk_ said:

Что вы там намеряете?
Нет никакого ТЗ, не сформулирована цель
...заменяется банальным АЦП с ФНЧ

Скомпоновал "ТЗ" из своих последних сообщений:
По задумке - примерно то же, что увидел бы и с помощью обычного мультиметра т.к. принцип измерения хочу использовать тот же.
Но с меньшими интервалами по времени - порядка 1мс или лучше.
Плюс с возможностью хранить результаты N последних замеров в памяти МК.
Точность измерений не ниже 1% вполне устроила бы.
Как там дальше обрабатывать на стороне МК - с этим определённости нет окончательной, но если схемотехнику измерительной части сделать рассчитанную на то что написал выше, то дальше можно рулить расчётами и отображением с МК и всё упрётся в алгоритме, прописанные в прошивке.

> Пока  же тот геморрой, что вы продвигаете

Я ничего не продвигаю - я хочу собрать железку и задаю вопросы в надежде что мне посоветуют.
Как я понял - конкретно эта ветка форума как раз и создана для такого.
Насчёт ФНЧ на входе АЦП я отвечал выше - спасибо за совет, но не подходит.

[_abk_]

То, что вы написали - это не ТЗ.

26 minutes ago, Andrew Nikonov said:

в надежде что мне посоветуют

Ок, давайте еще посоветуем.

27 minutes ago, Andrew Nikonov said:

с меньшими интервалами по времени - порядка 1мс или лучше.

Это какая получается фиксируемая частота изменения тока ЛБП?  При желаемой точности 1%  эта частота грубо - куда менее 10Гц. Для АЦП МК оцифровать 10Гц - тьфу, вообще ни о чем. Никакого ФНЧ даже не надо.

37 minutes ago, Andrew Nikonov said:

примерно то же, что увидел бы и с помощью обычного мультиметра т.к. принцип измерения хочу использовать тот же.

И тут вопрос: вам шашечки или ехать?  Что первее-то? Принцип измерения или измерить надо?

И еще. Я уже спрашивал, вы промолчали. А на индикаторе с каким периодом вы будете показания обновлять? С периодом 1мс? Мультиметр это делает 2..4 раза в секунду. Его миллисекундные измерения совсем не интересуют. Они просто смысла никакого не имеют. Разве что в памяти сохранять...

45 minutes ago, Andrew Nikonov said:

Как там дальше обрабатывать на стороне МК - с этим определённости нет окончательной, но если схемотехнику измерительной части сделать ... я хочу собрать железку

Вот в этом и проблема: вы хотите собрать железку, не понимая, зачем она нужна и нужна ли вообще. Вот  с этим и надо вначале разобраться. Это был совет. 

[Andrew Nikonov]

19 minutes ago, _abk_ said:

Это какая получается фиксируемая частота изменения тока ЛБП?  При желаемой точности 1%  эта частота грубо - куда менее 10Гц. Для АЦП МК оцифровать 10Гц - тьфу, вообще ни о чем. Никакого ФНЧ даже не надо.

И тут вопрос: вам шашечки или ехать?  Что первее-то? Принцип измерения или измерить надо?

И еще. Я уже спрашивал, вы промолчали. А на индикаторе с каким периодом вы будете показания обновлять? С периодом 1мс? Мультиметр это делает 2..4 раза в секунду. Его миллисекундные измерения совсем не интересуют. Они просто смысла никакого не имеют. Разве что в памяти сохранять...

Частота изменения тока может быть любой, запросто до 10МГц - в том и загвоздка. Пример - МК и много какая другая цифровая электроника (я в основном с ней работаю) в "спящем" режиме с периодическими  "просыпаниями" нагрузку разную даёт. Стрелочный (милли)амперметр нормально не покажет из-за инерционности, плюс точность совсем не та будет (поменялся угол зрения и привет). Мультиметр - тоже, т.к. время обновления показаний всего несколько раз в секунду. Об этом речь. Отдельно замечу, что ПЛИС при запуске и конфигурации могут жрать достаточно большой ток - сотни миллиампер, думаю некоторые модели и ампер могут втащить (по сути идёт инициализация и загрузка конфигурации в СОЗУ), но длиться это может только 10-100мсек.

По поводу АЦП МК - да, можно задать максимальную частоту дискретизации. Но в МК обычно ставят АЦП оследовательного приближения (SAR) и снятие показаний будет точечным.  По моей информации частота дискретизации АЦП МК обычно порядка 150кГц-1МГц. В связи с этим я и упоминал о теореме Котельникова, отсюда и интегратор в измерителе хочу. Если знаете быстрые (от 20-40МГц) и более-менее современные МК с подходящим типом АЦП, или хотя бы с более быстрым - рад буду услышать.

По поводу обновления индикации - я косвенно об этом писал.
Индикация - второстепенное. Если МК сохранит замеры на эээ "микроучастках", то вывести цифру для показометра будет плёвым делом. Если понадобится посмотреть что творилось по питанию более дробно - МК сможет сбросить эту инфу по USB на ПК, например. Так что я пока больше упираюсь в качество замеров на этих самых "микроучастках".

Надеюсь мне удалось наконец раскрыть тему зачем, почему, и почему именно таким способом хочу  мерять.

[_abk_]

Вот это кто сказал, и что  это значит?

1 hour ago, Andrew Nikonov said:

то же, что увидел бы и с помощью обычного мультиметра т.к. принцип измерения хочу использовать тот же.
Но с меньшими интервалами по времени - порядка 1мс или лучше.

Сколько будет длится ОДНО измерение, как вы планируете?

2 (два) вопроса задал. Ответьте. Это последние, больше мучить вас не буду.

[Andrew Nikonov]

здесь нет противоречия
об "обычном мультиметре" - я здесь подразумевал "используя тот же принцип", но написал совершенно нечётко и вводит в заблуждение, извините.

по скорости замеров - несколько раз писал в тексте. для определённости:
пусть длительность тех самых моих "микроучастков" - в пределах 1-10мс
(хотелось бы меньше, но по моим прикидкам может получиться другой класс цены на кумпуненты при желаемой точности, может ошибаюсь).

[Yurkin2015]

4 minutes ago, Andrew Nikonov said:

микроучастков" - в пределах 1-10мс

За время 1мс микропроцессор с 1МГц АЦП успеет сделать 1000 измерений. А сколько измерений произведёт метод двойного интегрирования за это время? 

[Andrew Nikonov]

2 minutes ago, Yurkin2015 said:

А сколько измерений произведёт метод двойного интегрирования за это время? 

Одно, конечно же. Но при изменении потребляемого тока с частотой выше частоты дискретизации АЦП МК правильно построенный аналоговый интегратор может учесть все колебания на датчике тока в пределах скорости отклика. Пока из "за вменяемые деньги" удалось найти 10МГц ОУ для этого дела - по схеме это OP2 к нему полевик T7.

[_abk_]

Just now, Andrew Nikonov said:

Одно, конечно же.

Тогда ЧТО вы собираетесь так измерять с точностью 1%?

[Andrew Nikonov]

Средний ток по интервалу.
Из практического - если нужно будет померять минимальный и максимальный, то для этого в схему можно будет добавить ОУ с фиксацией максимального и минимального значений, а зафиксированные показания снять с них таки при помощи АЦП МК.

Изменено 1 февраля, 2020 пользователем Andrew Nikonov

[_abk_]

1 minute ago, Andrew Nikonov said:

Средний ток по интервалу.

Средний? С точностью 1%?  

Все, все советы я уже дал, других не будет. Спасибо за беседу, было прикольно.

[Andrew Nikonov]

Just now, _abk_ said:

Средний? С точностью 1%?  

А что здесь не так можете объяснить?

[_abk_]

Нет. Я пытался, не смог.

[Falconist]

Это же элементарно, Ватсон! "Средняя температура по больнице". От инфекционного отделения до морга...

В общем, очередной "армянский комсомолец", сам себе надумавший псевдопроблему и теперь героически в ней сражающийся.