教大家怎么自制冷啟動(dòng)電池電壓波形發(fā)生器

在前一篇文章里，Roland 在給大家的演示中使用了一個(gè)自制的汽車(chē)?yán)鋯?dòng)電池電壓波形發(fā)生器，它的作用是要模擬出車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)的電池電壓跌落。

使對(duì)車(chē)用電子設(shè)備電源系統(tǒng)的測(cè)試可以在很簡(jiǎn)單的條件下就能順利進(jìn)行，同時(shí)付出的成本又很低，不用去準(zhǔn)備那些昂貴的設(shè)備。這個(gè)發(fā)生器是怎樣制作出來(lái)的呢？本文對(duì)此進(jìn)行揭秘，希望能幫到有同樣需求的朋友們。

上圖展示的信息很全面，左側(cè)方框里的部分就是這個(gè)波形發(fā)生器的總體結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)具有大電流輸出能力的 Buck 轉(zhuǎn)換器和一塊 Arduino Nano 控制板構(gòu)成；右側(cè)的部分是需要測(cè)試的電路部分，它們通常位于你要測(cè)試的電子設(shè)備里面。

RT8131B 是一款工作電壓為 5V 的電流模式 Buck 控制器，它可將 5.5V~26.5V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為 4.5V~22V 的輸出電壓，而負(fù)載電流則可因所用外圍器件的不同而不同，我們只需根據(jù)應(yīng)用的需求來(lái)做外圍電路設(shè)計(jì)即可，下圖是 RT8131B 的規(guī)格書(shū)所提供的參考電路圖：

當(dāng)我們要制作一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的時(shí)候，讓它具有很大的負(fù)載能力是很重要的，這時(shí)候就要設(shè)定比較高的過(guò)流限制閾值，RT8131B 是通過(guò)在上電階段經(jīng) LGATE 引腳輸出一個(gè)電流來(lái)測(cè)量它流過(guò)電阻 ROCSET 時(shí)形成的電壓來(lái)獲得你所設(shè)定的電流限制閾值的。

所以你可以根據(jù)需要和規(guī)格書(shū)里提供的信息來(lái)確定 ROCSET 的值。RT8131B 的第 7 引腳是 COMP 和 EN 共用的，只要該端子的電壓低于 0.3V，RT8131B 就會(huì)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，圖中與該端子連接的 MOSFET 就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)使能控制的。

設(shè)計(jì)中如果不需要使用該功能，這顆 MOSFET 就不需要出現(xiàn)，RT8131B 就會(huì)在一加電以后就進(jìn)入工作狀態(tài)，而它工作的目標(biāo)就是要讓其反饋端 FB 處的電位與其內(nèi)部參考電壓相等，這個(gè)特性也正是可被我們利用來(lái)完成波形生成的原因。RT8131B 的 VCC 供電電壓為 5V，假如我們只有一個(gè)輸入可用，此時(shí)就可以用一顆線性穩(wěn)壓器來(lái)滿足這一需求，立锜有很多最高工作電壓為 36V 器件可供選擇。

另外也可以如下圖這樣來(lái)做，一顆 5.6V 的穩(wěn)壓二極管作為三極管的基極參考電壓，到了發(fā)射極后得到的輸出電壓就很接近 5V，用它給 RT8131B 供電還是很靠譜的，其供電能力也很充足。

此圖實(shí)際上就是 Roland 在制作的時(shí)候使用的，其中還包括了把 Arduino Nano 的輸出引入其中的接口。Arduino Nano 是很多創(chuàng)客都在使用的一塊很小的控制板，它的各個(gè)版本使用的都是 Maxim 出品的 8 位 MCU，其長(zhǎng)相如下圖所示：

你可以把它想象為就是一顆 MCU，但是引腳都被連接到兩排插腳上了，這樣可以直接插到面包板上使用，搭建應(yīng)用電路時(shí)會(huì)非常方便。但更方便的是這顆 MCU 的通訊接口通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片被轉(zhuǎn)換為可以通過(guò) USB 總線進(jìn)行傳輸?shù)男盘?hào)。

你可以在 PC 上使用類(lèi)似 C 語(yǔ)言的高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程，然后通過(guò)這個(gè)接口將設(shè)計(jì)好的程序下載到 Arduino Nano 板上 MCU 的 Flash 存儲(chǔ)器里存儲(chǔ)起來(lái)并運(yùn)行，這樣就可以讓它去執(zhí)行各種控制任務(wù)了。

Arduino Nano 各個(gè)插腳的名稱(chēng)，其中以 D 開(kāi)頭的信號(hào)端子都是數(shù)字信號(hào)接口，以 A 開(kāi)頭的信號(hào)端子都是模擬信號(hào)接口。這些端子其實(shí)都是從板上 MCU 直接引出來(lái)的，下面的圖片將每個(gè)端子的所有可能名稱(chēng)都列了出來(lái)：

一個(gè)端子有多個(gè)名稱(chēng)，實(shí)際上是說(shuō)這個(gè)端子可以有多個(gè)用處，但實(shí)際使用的時(shí)候你只能使用其中的一個(gè)，一旦選定就不能隨意更改，否則帶來(lái)的麻煩就很大了，這既涉及到軟件的配合，也有硬件的適應(yīng)性問(wèn)題。我們要制作的波形發(fā)生器需要借助 Arduino Nano 的 PWM 信號(hào)生成能力，同時(shí)也需要通過(guò)按鍵來(lái)選擇輸出信號(hào)的特性，所以是這樣來(lái)連接電路的：

我們利用 Arduino Nano 的 D5 引腳輸出 PWM 信號(hào)（其他幾個(gè)端子的作用是：D6 驅(qū)動(dòng) LED 以指示輸出的狀態(tài)；D3 用 S2 的輸入選擇單次信號(hào)輸出；

D2 用 S1 的輸入選擇連續(xù)多次信號(hào)輸出 ），這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器處理以后會(huì)變成比較平滑的電壓波形，我們將用它去對(duì)RT8131B 的輸出進(jìn)行調(diào)制，使我們能得到盡可能接近如下圖所示的輸出電壓波形：

這個(gè)波形以及相關(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)自 ISO 16750-2，由于不同條件下的電壓跌落深度不同，所以我們?cè)谇懊娴碾娐分惺褂每勺冸娮鑱?lái)對(duì)調(diào)制的深度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于 Arduino Nano 的輸出信號(hào)引入 RT8131B 的位置是其反饋端 FB，所以引入信號(hào)的變化方向和 RT8131B 輸出信號(hào)的變化方向?qū)嶋H上是相反的，你用疊加原理就可以很好地理解。因此，我們想得到上圖所示的輸出時(shí)，Arduino Nano 輸出的 PWM 信號(hào)的包絡(luò)應(yīng)該如下圖所示的樣子：

你當(dāng)然可以把參數(shù)再進(jìn)一步細(xì)化去更好的接近標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際上可能并不需要那么精細(xì)，重點(diǎn)關(guān)注電壓跌落的深度和時(shí)長(zhǎng)大概就已經(jīng)夠用了，這會(huì)涉及到系統(tǒng)的斷電重啟過(guò)程，前一篇文章已經(jīng)提到了，這里不再做更多的探討。

按照這些參數(shù)生成的 PWM 信號(hào)還要經(jīng)過(guò) RC 電路構(gòu)成的低通濾波器才會(huì)被注入 Buck 轉(zhuǎn)換器的反饋回路，所以實(shí)際進(jìn)入系統(tǒng)的信號(hào)會(huì)將上述波形中的高頻成分濾除掉，最終的波形將變得非常平滑。為了按照前述信息生成相應(yīng)的 PWM 信號(hào)并實(shí)現(xiàn)既定的按鍵控制措施，很重要的就是對(duì) Arduino Nano 進(jìn)行編程控制，下面是相應(yīng)的控制代碼，其中的注解部分明確說(shuō)明了它是 Roland 的作品。

只要你對(duì)軟件設(shè)計(jì)稍有了解，上述程序就是很容易被理解的。在理解的基礎(chǔ)之上，你想對(duì)其進(jìn)行修改也很容易，那樣你就可以制作自己想要的波形了，即使過(guò)去沒(méi)有什么經(jīng)驗(yàn)的人也可以很容易地上手，所以我覺(jué)得能接觸到這些信息的人都是有福的，至少我是有這種感覺(jué)的，我希望我們的讀者也能有此感覺(jué)，讓我們都感受到幸福。

寫(xiě)作本文所利用的資料有立锜官網(wǎng)可以查閱到的應(yīng)用筆記 AN066 和 RT8131B 的規(guī)格書(shū)，另外也有網(wǎng)絡(luò)上普遍存在的 Arduino Nano 的資料，有疑問(wèn)的讀者可以留言，我們可以進(jìn)行更多的交流。

編輯：jq