電池測試設(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)，對于鋰離子電池的質(zhì)量至關(guān)重要,。電池測試設(shè)備的核心功能是對鋰離子電池進(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,，將成為未來電池測試設(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/電壓放大器對電池充放電的電流/電壓進(jìn)行采樣，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并送入C2000?中,，C2000根據(jù)恒流或恒壓指令與采樣信號進(jìn)行環(huán)路計算,，輸出一定占空比的PWM從而調(diào)節(jié)MOSFET的開關(guān)，最終使得buck/boost變換器按照指令通過恒流或恒壓的方式對鋰電池進(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,，通過高分辨率的16bit PWM，最多可以控制8個獨立通道的同步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,、電動汽車、儲能等諸多領(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,，8各通道可以分別獨立運行,；在大電流時，則將多個通道并聯(lián)運行,，以輸出更大的電流,。
圖2
如圖2所示，在多通道并聯(lián)運行時,，每個通道都將采用同一個恒壓環(huán)路,，恒流環(huán)路則各自獨立，只需將輸出并聯(lián)后就可以實現(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)更廣泛的測試場景,，大大減少了設(shè)備成本。
2 高精度
通過校準(zhǔn),，電池測試設(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)的誤差來源主要包括：電流檢測電阻的溫漂，電流,、電壓檢測放大器的失調(diào)與增益溫漂,、輸入共模電壓變化帶來的失調(diào)，ADC的非線性度,，基準(zhǔn)電壓源的溫漂,。在本文中，按照±5°C的溫度變化范圍計算誤差值,。
電流檢測電阻：
電流檢測電阻的溫漂是總系統(tǒng)誤差的重要來源,，對于CC控制，需要一個幾毫歐并且低溫度系數(shù)的高精度電流檢測電阻,。本文采用高精密,、電流感應(yīng)金屬條 SMD 功率電阻器，檢測電阻的阻值為5m?,，溫漂值為10 ppm,。那么，由于電流檢測電阻的溫漂造成的誤差為50ppm,。
電流檢測放大器：
為了減小大電流造成的溫升和功率損耗,，電流檢測電阻的阻值一般較小，因此電流檢測放大器的輸入差分信號一般不超過幾十毫伏,，往往選擇儀表放大器進(jìn)行信號調(diào)理,。儀表放大器的誤差主要來源于以下兩個方面：環(huán)境溫度改變時，失調(diào)電壓和增益的漂移,；電池電壓改變時,，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,，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TI主推的幾款應(yīng)用于電池測試設(shè)備的儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù)：
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 ?V/°C,，那么±5°C溫度偏移將會產(chǎn)生2 ?V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,，將產(chǎn)生0.5?V失調(diào)電壓。在10A充電電流下,，滿量程采樣電阻的電壓信號為50mV,，即輸入共模電壓變化帶來10ppm滿量程誤差。
電壓檢測放大器：
電壓檢測放大器的誤差來源同樣主要來源于失調(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,，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,、精密運算放大器,，失調(diào)電壓漂移的典型值為0.9 ?V/°C，那么±5°C溫度偏移將會產(chǎn)生4.5?V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,，將產(chǎn)生31.5?V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溫度偏移誤差將會降至40ppm,。
誤差匯總：
根據(jù)以上分析,，將各誤差來源造成的誤差值匯總，即可計算得到在恒流,、恒壓控制時,，電池測試設(shè)備的系統(tǒng)總誤差如表2所示?？梢钥吹?，采用C2000的數(shù)字控制方案，電流和電壓誤差范圍都在萬二以內(nèi),，達(dá)到了極高的控制精度,。
綜上所述，在電池測試設(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,，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,、制造,、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè),、汽車,、個人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實用,，創(chuàng)造一個更美好的世界,。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,、更實惠，從而實現(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)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。 欲了解更多信息,，請訪問公司網(wǎng)站http://www.ti.com.cn/,。
