炬为DL24M电子负载故障维修及改进分析

西山云舞 · 发表于 3 小时前

奇怪故障

上周我拿这个负载仪测试风帆的汽车启动蓄电池，遇到了奇怪的问题。

我在电池和负载仪之间连好了V-、V+线后，I-未接，先接I+到电池+。电路板上有个元件马上冒烟。迅速断开I+，此时上位机程序卡死。重启上位机程序，发现蓝牙连接正常，负载仪、上位机都没有报错。

我查看说明书，没有接线顺序具体要求。之后先连I-，再连I+，负载仪所有功能似乎没有受影响。

但是放几天之后再次使用，上电自检界面卡了一分钟，启动负载也没有电流了。出现故障那天居然能继续正常工作，十分蹊跷。淘宝查询印字A63A，是LM321MFX低功耗运放，SOT23-封装。

问题分析

其引脚定义如下图。拆下来损坏的LM321MFX正负电源引脚之间只有18Ω。

用作传感器的两枚型号为HLW8110的电量IC。

左边一枚用于电流检测，与I-共地，也跟整块线路板共地；右边一枚用于电压检测，与V-共地。

更换运放之后，启动界面会一直卡死，但是只要I-接通V-，马上通过自检，进入操作界面。向客服报告新情况的时候看到之前的留言说还要更换一个丝印169的6脚元件。

经查是BL1551B 单刀双掷模拟开关。

其开关耐压比较低，只有6V左右。

我猜，V检测回路和I检测回路共用12V+，V检测的独立地是V-，拆开防呆之后，V-与I-要外部接通，才能给V检测供电。而电流和电压检测回路的电源设计有缺陷，导致了一系列奇怪的故障。

万用表测V-与I-之间，在8kΩ左右跳动。当负载仪上电后，V-比I-高3.5~4V之间跳动。电池和负载仪之间连好了V-、V+线后，那么很有可能就是此时控制面板来的电流信号比V-还低，导致运放输出V-电位，把VC拉到3.5~4V，进而导致功率管处于完全导通状态。

此时I+接入电池+，I-悬空，则I-马上被功率管上拉到电池+极电压14V，相当于把I-接到电池+极；BL1551B 模拟开关相当于输入-10V左右，超压损坏，再导致运放输出端电流过大，过载烧毀。

客服让我寄回去修，但我觉得自己能搞定，而且想搞清楚什么问题，就简单跟了一下电路。并且经过检测，BL1551B 模拟开关功能完好，并没有损坏。跟猜测有些出入。

下图中1~5运放与I-共地，1~4用于功率MOS管均流，作用不大，反而增加了延迟；5用于1mΩ电流检测电阻压降放大，似乎处于电流负反馈环里（该运放位置不好，没有描电路图）；6与V-共地，处于电压负反馈环节，并且把控制面板来的驱动信号传输到1～4。情况有些复杂，那就干脆复现故障吧。

复现故障

当负载仪上电后，电池和负载仪之间连好了V-、V+线后，以I-为参考点，V-电位约3.5V，运放U7同相输入端电位实测0.26V，输出电位实测1.2V上下跳动（下图漏小数点了）。

实测U7输出电压约2.1V，由于原电路某种设计，把U7输出电压（可能经过另外一个运放）传递到U1的同相输入端了（约1.2V跳不动，下图漏小数点了）。

于是U1输出高电平，实测超过11V，进而导致功率管T1处于完全导通状态。

此时I+接入电池+，I-悬空，则I-瞬间被功率管T1上拉到电池+极电压14V，相当于把I-直接连接到电池+极；此时U7的电源电压瞬间上升到12+14=26V。这片LM321估计不是德州原厂的，达不到30V的耐压，导致严重发热，接近烧毁（只能这样解释，为何冒烟之后还能工作完成电池测试，过了几天再用才发现彻底坏掉）。除此之外，还没有找到别的原因。而且我更换了别的国产LM321，在同样的测试条件下没有烧毁，也一定程度证明了很可能是元器件耐压问题。

后来又测试CR、CP、CV状态性能时候，发现负载仪瞬态反应很慢，估计是通过MCU闭环控制的原因。

在上述状态（V-、V+、I+线均正确连接）下，如果把I-接上，会产生很大的火花，并且负载仪显示出现瞬间20A的大电流（电池输出电流保护值）。我认为是由于运放滤波网络选择参数保守，负载仪驱动电路关断功率管的时间太长，如果电池本身没有保护，负载仪极可能会瞬间炸管。

同时验证了上述状态下，与面板的通信会有几率失败的猜想。我多次触碰I-的过程中，出现了面板电流电压数值卡死，要重新上电才恢复的情况。

上述问题基本上是在设计阶段就埋下隐患：

1、四线制带来的浮地问题没有考虑好，供电回路设计有缺陷，导致电流地和电压地的处理带来混乱。

2、没有充分考虑V+、V-、I+、I-4根线的防呆保护。严格来说，必须考虑到4根线与待测电源的正负极之间，所有的连接可能性（包括不连接）和连接顺序的可能情况，我估算了一下，大概有数百种组合，虽然其中会有多种组合所需的保护电路是通用的，但也必须一丝不苟的设计。

3、没有充分吃透元器件的特性，除了认真阅读datasheet，关键器件还要询问供应商或者自己动手做极端工况测试，利用本次的LM421疑似耐压不足，以及BL1551B模拟开关违反了设计意图的意外超限额输入输出传输特性。

4、缺乏充分考虑的自身保护电路，例如运放和BL1551B 模拟开关的输入钳位电路，功率管的敏捷保护电路。

5、未能充分掌握运放的应用，没有利用好运放的差分输入能力。

另外，客服还告诉我，长按开始键进入后台设置，同时按住+-号键，可以自行校准。以及把这个保险丝装回去就不会烧毁运放，实际上是错误的。

修改

更换了损坏的LM321后，可以工作了。另外还有一个保护二极管烧了，导致负载仪的两个负极要接在一起，才能通过自检。把这部分电路描出来，发现原厂的设计很不合理，保护二极管容量极小，保险丝也不起任何作用，一旦V-误接待测电源正极，这两者都马上烧毁，而且对电路不起任何保护作用。同时对于I-误接电源正极则马上烧保险丝，也没有任何保护作用。

把两者拆掉，用一个5伏的1W稳压管连接I-、V-，并且在V-的测试线上串接一个保险管。电路正常工作时，I-比V-电平高不超过1V，稳压管上只有几微安的电流，不影响其精度。当I-误接电池+，稳压管击穿，烧毁保险丝；当V-误接电池+，稳压管导通，烧毁保险丝。保护功能经过实验，能及时保护。

至于I、V不共地的问题，可以通过一个隔离电源来解决，但是改动太大了，不值得。只能改变使用方法，把两条电压线换成细线，在端子上打标记。并且日常使用总是把V-和I-端子插在一起，并且接好这两根线，再接别的线。

小结

这款负载仪利用HLW8110达到很高的测量精度，价廉物美，功能繁多，用来测试电池完全够用。但基础硬件还有很多进步空间，保护功能不足，容易损坏。

由于需要MCU先与两片HLW8110分别通讯，获取电流电压数据后，运算再输出反馈控制，导致瞬态性能肉眼可见的不足，除了CC模式基本失去实用性。CC模式之所以能用，是依靠功率MOS管本身工作在恒流区，提供了大部分的恒流能力。但是，一旦工作在小电压大电流的工况下，MOS管进入夹断区及线性区，动态性能也会急剧恶化。

我认为这款负载仪的功能完全可以用一片HLW8110实现设计意图，并且可以实现共地，但获得高静态分辨率的同时，失去了太多的动态性能。

还不如舍弃HLW8110，直接用双ADC的MCU，配合设计得当的电路，用产线自校准的方式，获得的亚ms级的动态性能。

当然最好还是应用好10MHz以上的运放。搭加法器，直接用均流电阻替代电流传感电阻；乘法器反馈功率；除法器反馈电阻；直接模拟反馈，MCU只需要做上电自校准和给出参考值，可望获得亚μs级的动态性能，成本大概5元。

另外必须完善保护电路，特别是V-线加上电子开关，4线随意接错均能全面保护待测电源与负载仪自身。

最后补充一个客服给的，与说明书不一致的功率设置方法。

我是西山云舞，爱分享的无厘头伪极客，最喜欢寻找能明显提高生活便利的高性价比产品。5年环保/危废、8年电子硬件开发/管理、8年自闭症教育行业经验，欢迎关注！