2018年4月28日 星期六

AVR-TransistorTester: LCR-T4 元件測試儀電源改造紀錄

AVR-TransistorTester是一個由德國原作Markus Frejek 在 mikrocontroller.net上發表,目前由  Karl-Heinz Kübbeler 繼續維護的開放專案,主要在於使用 MCU 搭配精簡的電路做出多功能、精確的電子元件測試儀。除了能測試基本的被動元件之外,更可以測試出多種電晶體、二極體等主動元件的通用參數。官方的程式碼中還附有頻率產生器、 PWM 脈波產生器、計頻器、 UART 輸出或是電壓表等炫砲功能。我最推崇的是官方韌體最新版本中的電容量測校正功能,經過校正之後,在pF等級的電容測試,測到的可以精準落在高精度溫度補償電容的誤差範圍內,對於做通訊類的實驗是非常實用的。不僅如此,官方的文件更是詳盡到幾乎每種測試功能都有錯誤率分析的統計圖表,測試流程圖與等校模型應有盡有。軟體的部分使用make建置,方便使用者對針對自己的硬體進行客製化,程式碼中註解也很完整,讓初次使用的新手可以很快速的入門。



因為功能真的太強大了,中國開始陸續有些玩家或廠商把自己 Clone 的版本拿來銷售,雖然官方有明定專案資料不得作為營利使用,但是實在太熱銷,所以衍生的版本越來越多,例如 M8 / M328 / LCR-Tn / Fish8840 ......。在官方文件中甚至有幾個章節在介紹 Chinese Clones 的硬體問題。這些產品通常有以下特徵:
  1. 中文通常叫 XX 晶體管測試儀
  2. 使用 AVR 架構 MCU 
  3. 有3個 Test Port
  4. 一個按鍵或是編碼器
  5. 顯示器通常是1602或是解析度更高的液晶面板
  6. 可能顯示中文字
  7. 9V電池供電
LCR-T4 是我入手的第二台 AVR-TransistorTester 系列測試儀了,第一台是 M328,直接接8.4V鋰電池和升級成編碼器旋鈕,目前更新至官方韌體後穩定服役中。因為一直使用9V一次性電池對經常在使用的儀器來說非常傷本,而且 MCU 也只是吃線性穩壓器輸出的 5V,非常浪費電,所以目標是把所有這種不怕玩壞的自製儀器全改成鋰電池供電。

問題來了,為何不直接像前一台一樣用 8.4V 方形鋰電池就好呢?原因很簡單,因為那種內部串聯的方形鋰電池需要使用專用充電器來充電,而且電池容量小也是一大問題,再來就是如果要提升效率,減少充電次數,勢必還要再將原來測試儀的線性穩壓電路改成交換式電源,又會衍生了體積、切換頻率、 EMI 等問題。況且目前 18650 鋰離子電池的技術相當成熟,也好取得,所以使用起來也會更有彈性。

某天突然想到用 單節 3.7V 鋰電池 + 簡易的 Dickson Charge Pump 來改造這台 LCR-T4 。經過了隨意亂拉的模擬,找到了 EEVBLOG 論壇上逆向工程的 LCR-T4 電路圖確認後,把 Q1 開關的集極與 78L05 的輸入斷開,接上這個升壓電路理論上就能正常動作,於是就來著手製作。

驅動 Charge Pump 用的是 12MHz 石英震盪器、74HC14、1N4148 二極體做的電路,為的是減少電壓漣波和降低切換電容的容值,進一步在減少損耗的同時和元件體積取得平衡。
電容使用的是 X7R 100nF 的 MLCC 電容,因為根據電容大廠的 Application Note維基百科的參考圖表顯示,100nF X7R 的 MLCC 通常在 10MHz 以上還能保持電容性阻抗所以選用。

12MHz 3-stage Dickson charge pump
Schematic of 12MHz 3-stage Dickson charge pump

原本單獨用電源供應器測試升壓板的時候一切都很美好,原本想的3倍壓也乾淨的像 DC 一樣,後來用1K歐姆電阻做假負載掛上也還有7V的電壓 (網路上其他賣家聲稱 LCR-T4 只吃7mA),雖然模擬時的Ripple更低,不過也還算正常。

迫不及待把升壓器掛進測試儀的 Soft Latching Power Switch 時,問題就開始出現了。一開始的電流居然會大到連 MCU 自己都 Latch 不住開關,燈亮了一下就斷電餓死...所以之後就開始了"加電容"、"探電源波型"和"啃 AVR-Transistortester 專案文件&原始碼註解"的輪迴,在尋找到底是哪個環節出了問題。

最後初步判定是 Charge Pump 輸出的電壓太低,原本3~4V輸入,三級倍壓應該要9~12V的輸出,但是實際輸出卻掉到6V多。頭昏腦脹之下,多加了一級,以為升壓器的增益增加一定可以幫我達成夢想。

事實卻不是如此,輸出電流變得更小了,輸出電壓被拖得更低。
這時才恍然大悟,這是很典型的負載效應,輸出功率沒有變大。

因此也只能再把我的輸出接到從2倍壓的第二級輸出,很幸運的,測試儀可以跑更久了,但還是不時會被自己的內部測試電流拖下來導致斷電。這問題就簡單了,只要用示波器看測試儀上哪個電源節點的電壓在斷電之前嚴重不足,加上足夠的電容,讓瞬間的電流可以由電容補充,任務就完成了。

最後整個就變成了現在的樣子

加了一些電容,試圖改善MCU切換時的電流突波

雖然加了幾顆 10uF 的 MLCC 之後突然斷電的狀況幾乎改善了,但是在測超過10uF大容值電解電容的時候,依然避免不了連續對待測電容充電所產生的電流突波。

如果要再讓大容值電容可以測需要更精準的電流估算,未來可能會再將 Charge pump 效率改進,目前就先維持這樣。

鋰電池LCR-T4測試儀正面


鋰電池LCR-T4測試儀背面

順道一提,如果 LCR-T4 想要用官方的韌體更新,這串有其他玩家更新的回報可以參考!





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