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低成本、高精度的電池測(cè)試設(shè)備數(shù)字控制方案

本文作者：德州儀器點(diǎn)擊： 2021-12-27 13:39

前言：

電池測(cè)試設(shè)備，是鋰離子電池生產(chǎn)線后處理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于鋰離子電池的質(zhì)量至關(guān)重要。電池測(cè)試設(shè)備的核心功能是對(duì)鋰離子電池進(jìn)行高精度的恒流或恒壓充放電，傳統(tǒng)的控制方法以使用分立器件搭建的模擬控制方案為主。相比于傳統(tǒng)的模擬控制方案，采用TI的C2000™為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制方案，由于其低成本、高精度、更靈活、保密性較好等優(yōu)點(diǎn)，將成為未來(lái)電池測(cè)試設(shè)備主流的發(fā)展方向。本文中，將詳細(xì)介紹如何通過(guò)TI的C2000™數(shù)字控制方案，有效降低系統(tǒng)成本，并保證極高的電流、電壓控制精度。

1低成本

采用TI的C2000數(shù)字控制方案的典型結(jié)構(gòu)如圖 1所示：電流/電壓放大器對(duì)電池充放電的電流/電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并送入C2000™中，C2000根據(jù)恒流或恒壓指令與采樣信號(hào)進(jìn)行環(huán)路計(jì)算，輸出一定占空比的PWM從而調(diào)節(jié)MOSFET的開(kāi)關(guān)，最終使得buck/boost變換器按照指令通過(guò)恒流或恒壓的方式對(duì)鋰電池進(jìn)行充放電。

圖1

相比于模擬方案，由于電壓、電流指令和環(huán)路控制都在C2000中產(chǎn)生和完成，省去了高分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和誤差放大器，有效地降低了系統(tǒng)成本。

TMS320F280049是具有100MHz主頻、256KB 閃存的 C2000™ 32 位 MCU，通過(guò)高分辨率的16bit PWM，最多可以控制8個(gè)獨(dú)立通道的同步buck/boost變換器。采用TMS320F280049的數(shù)字控制方案，比傳統(tǒng)的模擬控制方案可以節(jié)省30%以上的BOM成本。

此外，由于鋰離子電池在3C產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，各類鋰離子電池的電流往往差別很大。這導(dǎo)致了電池測(cè)試設(shè)備若采用模擬控制，往往需要根據(jù)電流大小選取不同的硬件方案，增加了研發(fā)周期與設(shè)備成本。如果采用C2000的數(shù)字控制方案，則可以在不改變硬件的前提下，在小電流或大電流模式間自由切換：在小電流時(shí)，8各通道可以分別獨(dú)立運(yùn)行；在大電流時(shí)，則將多個(gè)通道并聯(lián)運(yùn)行，以輸出更大的電流。

圖2

如圖2所示，在多通道并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)通道都將采用同一個(gè)恒壓環(huán)路，恒流環(huán)路則各自獨(dú)立，只需將輸出并聯(lián)后就可以實(shí)現(xiàn)更大的輸出電流范圍。因此，相比于模擬控制，采用C2000的數(shù)字控制方案，可以在不改變硬件的條件下適應(yīng)更廣泛的測(cè)試場(chǎng)景，大大減少了設(shè)備成本。

2 高精度

通過(guò)校準(zhǔn)，電池測(cè)試設(shè)備往往可以除去大部分初始系統(tǒng)誤差。剩余難以被校準(zhǔn)的誤差來(lái)源主要包括：電流檢測(cè)電阻的溫漂，電流、電壓檢測(cè)放大器的失調(diào)與增益溫漂、輸入共模電壓變化帶來(lái)的失調(diào)，ADC的非線性度，基準(zhǔn)電壓源的溫漂。在本文中，按照±5°C的溫度變化范圍計(jì)算誤差值。

電流檢測(cè)電阻：

電流檢測(cè)電阻的溫漂是總系統(tǒng)誤差的重要來(lái)源，對(duì)于CC控制，需要一個(gè)幾毫歐并且低溫度系數(shù)的高精度電流檢測(cè)電阻。本文采用高精密、電流感應(yīng)金屬條 SMD 功率電阻器，檢測(cè)電阻的阻值為5m?，溫漂值為10 ppm。那么，由于電流檢測(cè)電阻的溫漂造成的誤差為50ppm。

電流檢測(cè)放大器：

為了減小大電流造成的溫升和功率損耗，電流檢測(cè)電阻的阻值一般較小，因此電流檢測(cè)放大器的輸入差分信號(hào)一般不超過(guò)幾十毫伏，往往選擇儀表放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。儀表放大器的誤差主要來(lái)源于以下兩個(gè)方面：環(huán)境溫度改變時(shí)，失調(diào)電壓和增益的漂移；電池電壓改變時(shí)，由于輸入共模電壓變化造成的失調(diào)電壓。因此，在選擇儀表放大器時(shí)，應(yīng)該主要關(guān)注失調(diào)電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數(shù)。表1為T(mén)I主推的幾款應(yīng)用于電池測(cè)試設(shè)備的儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù)：

表1

Specifications	INA821	INA828	INA819	INA188
Vos max (µV)	35	50	35	55
Drift (Max) (µV/C)	0.4	0.5	0.4	0.2
Gain Error (% Max)	0.15	0.15	0.15	0.5
Gain drift (ppm/°C) (G=1)	5	5	5	5
CMRR (Max Gain) (Min) (dB)	140	140	140	118
GBW (MHz) (G=1)	4.7	2	2	0.6

INA821作為一款高精密、低漂移的儀表放大器，失調(diào)電壓漂移最大值為0.4 µV/°C，那么±5°C溫度偏移將會(huì)產(chǎn)生2 µV失調(diào)電壓，即40ppm滿量程誤差；增益漂移為5 ppm/°C，那么±5°C溫度偏移會(huì)產(chǎn)生25ppm誤差；共模電壓抑制比為140dB，那么輸入共模電壓范圍在0~5V變化時(shí)，將產(chǎn)生0.5µV失調(diào)電壓。在10A充電電流下，滿量程采樣電阻的電壓信號(hào)為50mV，即輸入共模電壓變化帶來(lái)10ppm滿量程誤差。

電壓檢測(cè)放大器：

電壓檢測(cè)放大器的誤差來(lái)源同樣主要來(lái)源于失調(diào)電壓和增益的漂移，以及輸入共模電壓變化造成的失調(diào)電壓。因此，在選擇儀表放大器時(shí)，同樣應(yīng)該主要關(guān)注失調(diào)電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數(shù)。

TLV07是一款成本敏感型、低噪聲、軌到軌輸出、精密運(yùn)算放大器，失調(diào)電壓漂移的典型值為0.9 µV/°C，那么±5°C溫度偏移將會(huì)產(chǎn)生4.5µV失調(diào)電壓，即1ppm滿量程誤差；增益漂移主要受輸入電阻與反饋電阻的漂移誤差的影響，在這里取5 ppm/°C，那么±5°C溫度偏移會(huì)產(chǎn)生25ppm誤差。共模電壓抑制比最小值為104dB，那么輸入共模電壓范圍在0~5V變化時(shí)，將產(chǎn)生31.5µV失調(diào)電壓，即6ppm滿量程誤差。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器及基準(zhǔn)電壓源：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的誤差主要是由于非線性度和基準(zhǔn)電壓源的漂移造成的。ADS131M08是24位、32kSPS 、8通道同步采樣的Δ-Σ高精度ADC，由于ADS131M08是差分輸入，可以有效減小由于各通道間串?dāng)_引起的誤差。從數(shù)據(jù)表中可以查到，ADS131M08的非線性度INL僅為7.5ppm滿量程誤差。如果采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，溫漂最大值為20 ppm/°C，那么±5°C溫度偏移會(huì)產(chǎn)生100ppm誤差。如果采用外部基準(zhǔn)電壓源REF2025，溫漂最大值僅為8 ppm/°C，那么±5°C溫度偏移誤差將會(huì)降至40ppm。

誤差匯總：

根據(jù)以上分析，將各誤差來(lái)源造成的誤差值匯總，即可計(jì)算得到在恒流、恒壓控制時(shí)，電池測(cè)試設(shè)備的系統(tǒng)總誤差如表2所示。可以看到，采用C2000的數(shù)字控制方案，電流和電壓誤差范圍都在萬(wàn)二以內(nèi)，達(dá)到了極高的控制精度。

表2

電流誤差		電壓誤差
誤差來(lái)源	滿量程誤差	誤差來(lái)源	滿量程誤差
分流電阻溫漂	50 ppm	分流電阻溫漂	50 ppm
INA821失調(diào)溫漂	40 ppm	TLV07失調(diào)溫漂	1 ppm
INA821增益溫漂	25 ppm	TLV07增益溫漂	25 ppm
INA821 CMRR	10 ppm	TLV07 CMRR	6 ppm
ADS131M08非線性度	7.5 ppm	ADS131M08非線性度	7.5 ppm
REF2025 電壓溫漂	40 ppm	REF2025 電壓溫漂	40 ppm
總誤差	0.017%	總誤差	0.013%

綜上所述，在電池測(cè)試設(shè)備中采用TI的C2000數(shù)字控制方案，在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)，可以保證極高的電流、電壓控制精度，非常適合在各類電池測(cè)試方案中的應(yīng)用。

關(guān)于德州儀器 (TI)

德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來(lái)乃至現(xiàn)在一直在做的事。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)公司網(wǎng)站http://www.ti.com.cn/。

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