【刨根问底】电磁信号发生器咋又不好使了

aytc100

写在前面的话：本帖仅讨论技术原理，发泄情绪请另行开帖。本人保留删除不友善回帖的一切权利

继解决去年信号强度过大的问题之后，今年华北赛修改过后的电磁信号发生器又出问题了。问题表现为信号源输出不稳定，感应波形有毛刺，且无法做到基波恒定。当时简单测试的结果是跳动20%，偏差400%。要是拿这个去组织华北赛，怕是电磁组别要集体弃赛。所以在于卓老师进行紧急沟通之后，更换其他更稳定的电磁信号发生器（一共凑了四种）；并且为了弥补试车时信号发生器不太统一的缺陷，预赛和决赛各自组别的试车赛道和正式赛道串联驱动，保证电流一致。


回来把有问题的信号源交给卓老师，之后歇了几天，再联系客服关注一下问题进展，客服居然表示产品没问题？那既然如此，我就来找找问题。


拿了三个信号源，一个带不动大赛道，一个没输出，还有一个输出乱跳。把输出乱跳的接5欧姆负载电阻再用实验电源供电7.5V，问题就暴露出来了：实验电源的输出电流达到了0.3A以上。对比带不动大赛道但是不太跳的信号源，只有0.1A多。据此可以判断，是输出或者反馈出了问题。打开外壳测量一下H桥的栅极，很快就发现了问题：栅极驱动信号在振荡。


借助上上一版信号发生器的原理图很容易就能搞清原理图的缺陷：栅极驱动既没有防止栅极振荡的阻尼电阻，也没有防止NMOS和PMOS同臂导通的死区措施。（这俩措施的作用和介绍详见《智能车制作》）那么为啥类似的电路从第五届用到现在都没出啥问题呢？这就说明这版原理图在某处吃设计余量，而现在这部分设计余量因为某种原因没有了，电路也就暴露出相应的问题。

仔细观察组成H桥的四颗SOT23封装的MOS，可以发现它们并不是原版原理图中英飞凌（原IOR）生产的IRLML2502（Nmos）和IRLML6402（Pmos），而是国产的LBSS138（Nmos）和LBSS84（Pmos）。那么问题就很明显了，换原版设计中的MOS，上电，测试，问题得到解决。
补充说明：此处MOS管更换不应该是为了省钱，也不是国产管子质量不行，仅仅是参数不合适&国产管子离散度较大&品控出问题。要省钱的话下面恒流的MOS IRLR7843随便换个几毛的Nmos省的钱都能买下整套H桥的管子了，还不影响恒流效果。

如果我只会换个元件解决问题的话，那我只是修理工，而不是硬件工程师。问题的根源在哪里呢？要看手册才知道。栅极G是否振荡，与几个因素有关：D、S是否稳定（没做防止同臂导通措施，不稳定）栅极驱动电阻（原理图就没有）栅极电容（换管子有较大改变）。查手册可知，Pmos的栅极输入电容Ciss由原来的633pF降为30pF，Nmos由740pF降为40pF。这就是问题所在了。在作为栅极驱动的逻辑门4069的驱动下，H桥的Nmos管栅极G过快地充电，由于低边有作为恒流措施的IRLR7843的影响，抬高了Nmos中S级的电压，刚打开的Nmos又立刻关闭。如此往复，就产生了频率高达数MHz的振荡。新改进的信号发生器采用DFT欠采样方式解算基波电流，但是DFT欠采样解算的前提是被采样信号为周期信号。H桥产生如此高频的噪声，DFT当然不能正常解算出结果，自然是输出花式跳动而且恒流措施也失效了。

分析清楚问题产生的根源，就能给出一个不更换MOS也能解决跳动问题的方案了。最简单的方法就是给恒流部分的电路并联一颗电容，使其在短暂的时间内不产生恒流效果。经过实验，这颗电容用1nF是不行的，10nF或者100nF都可以。为了尽量避免对恒流效果产生影响，推荐使用10nF，如果没有或者效果不好，也可以用100nF。测试效果和焊接位置如图所示，在R13下方和MOS管之间，1206封装的电容比较好焊，0805封装需要搭棚焊一点点距离。


下一个问题，没信号输出？顺着IRLR7843的栅极向上查找信号源，很容易就能发现，T2虚焊了。经过酒精清洗后辨认，T2处虚焊为典型的SMT枕窝缺陷，产生原因可能有SMT器件管脚氧化、焊接温度不合理或者锡膏助焊剂不足或过早挥发。从其他焊盘的焊接情况（焊点粗糙，回流拉力弱）观察可以认为后两者为主要可能因素。也就是说，同批次产品如果不经过严格质检，可能会在使用过程中出现类似的接触不良的情况。而通电全检对此类缺陷检出率不高，这也就是为什么这个产品缺陷能通过华北赛的质检，到赛场上才出现问题的原因。


第三个问题，带不动长赛道？其实这个问题早在5月份就有人发现了，见卓老师推文《超大练习赛道》。实测带不动赛道的信号发生器在负载电阻为30欧的时候，只能调出85mA的稳定输出，再高则会间歇关断振荡。这与推文中28.7欧等效负载就无法驱动的情形相近。而换回原版MOS管的信号发生器无此问题。原因不言而明，国产MOS的导通内阻太大，最坏情况总内阻可以达到20Ω，不是推文中不可忽略的0.215Ω。30欧负载都推不动的话，真心不如极简信号发生器（35Ω），更不如正弦信号发生器（补偿后可推千米赛道）


最后一个问题，就算是换了MOS，信号源还是有正负1的跳动啊？这个就没办法了，这是DFT算法本身的低频噪声，大概22ms改变一次电流设定值，不更新固件没法解决的。或者，可以考虑换一下其他原理的信号发生器？目前已知能够实现基波恒定（恒磁）输出的信号发生器：极简、正弦、LC谐振反馈。老式的调电位器的信号发生器虽然不能做到基波恒定输出，但是起码不会跳来跳去啊。




太长不看版：T5 T6换为IRLML2502（Nmos）；T3 T4换为IRLML6402（Pmos），可以同时解决大幅跳动和带载能力弱两个问题，小幅跳动无解。
没有换MOS的条件的同学，将信号发生器里最大的MOS最大的焊盘通过10~100nf电容接地，可以解决大幅跳动问题，小幅跳动无解，带载能力弱不能通过此方法解决。
解决小幅跳动只能换其他不采用DFT欠采样原理的信号发生器。

eagle丶

总结：国产原件性能不过关

a1183810556

凌晨4点写帖子，很用心了

dxa572862121

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aytc100

eagle丶 发表于 2018-7-26 05:20
总结：国产原件性能不过关

这锅还真不是国产元件背的。换进口的BSS138和BSS84一样会触发类似的bug甚至可能100%出问题。这是整个管子选型出了问题，如果换国产和6402 2502对标的管子，反而没事甚至更稳定

麋鹿迷路

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cs538138

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cankun1314

超哥不睡觉了都

wensenchao

浙江赛区的龙邱电磁电源不知道是不是也有问题，我看至少有一半的电磁直立车进不了圆环

计量四驱战神

顶超哥一波！！