基于A(yíng)D8450/1和ADP1972的鋰電池測試解決方案

　　應用簡(jiǎn)介

　　能源消耗是全球面臨的普遍問(wèn)題，許多行業(yè)努力通過(guò)實(shí)現更安全、更清潔、更高效、低成本的電源解決方案來(lái)應對這一問(wèn)題?；旌蟿?dòng)力 和電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能、風(fēng)能的日漸盛行就是這種趨勢的結果。所有這些解決方案都有一個(gè)共同之處：鋰離子電池。由于這些領(lǐng)域增長(cháng)迅 速，鋰離子電池將在節能方面起到更重要的作用。

　　鋰離子電池制造程序非常復雜，包括電極生產(chǎn)、堆疊結構和單元裝配。 然后要執行電氣測試，以便評定電池容量和性能。這之后還要執行電氣測試，以便評定電池在工作中的容量，即額定值。對于鋰離子電池制造中的這些電氣測試，需要高功率、高效率和高精度的測試設備。ADI公司基于AD8450/1和ADP1972的解決方案正是為此而推出。

　　系統設計考慮因素

　　效率

　　筆記本電腦、手機和類(lèi)似便攜設備中鋰離子電池的容量通常很小，典型值是數安時(shí)。但是，用于車(chē)輛或儲能的鋰離子電池容量則高得 多，通常在數十甚至數百安時(shí)左右。用于小容量電池的線(xiàn)性測試設備，如果也用于高容量電池測試，在充電階段將會(huì )消耗大量功率， 導致效率低下，而且會(huì )給設備硬件設計帶來(lái)相當嚴重的熱問(wèn)題。ADI AD8450/1和ADP1972解決方案基于PWM架構，有助于解決這一問(wèn)題。

　　ADI PWM架構還能幫助把更多電池能量送回電網(wǎng)或其他測試通道進(jìn)行充電。與將電池能量放電至阻性負載的線(xiàn)性架構相比，這是一種環(huán)保且 高效的解決方案。

　　精度

　　為了獲得準確的鋰離子電池容量，需要精確測量充電和放電兩種模式下的電流和電壓。結合系統中的精密ADC、DAC和其他器件，ADI公 司基于AD8450/1和ADP1972的解決方案可實(shí)現高精度測量和設定。

　　低系統成本

　　• 更高的開(kāi)關(guān)頻率支持使用尺寸更小、價(jià)格更低的功率元件，如電感和電容等

　　• 能源回收利用有助于降低運營(yíng)成本

　　• AD8450/1精度更高，可降低熱管理成本，簡(jiǎn)化控制環(huán)路設計

　　• AD8450/1采用獨特的儀表放大器設計，制造過(guò)程中的校準時(shí)間可縮短一半，性能保證時(shí)間可更長(cháng)

　　• 集成解決方案使得系統尺寸更小，設備和維護成本更低

　　ADI解決方案

　　系統框圖

　　下面是從直流母線(xiàn)到電池的系統框圖，包括微控制器、模擬前端和控制器、PWM控制器、高壓MOSFET驅動(dòng)器、功率級（MOSFET、電感、 電容、分流電阻）、電壓/電流讀?。ˋDC）以及電壓/電流設置（DAC）。

　　注釋?zhuān)荷鲜鲂盘栨湸韽闹绷髂妇€(xiàn)到電池的通道板設計。模塊的技術(shù)要求可變化，但下表列出的產(chǎn)品代表滿(mǎn)足部分要求的 ADI 解決方案。

　　1. 模擬前端和控制器 AD8450/AD8451

　　2. 降壓和升壓PWM控制器 ADP1972

　　3. 微控制器ADuC7060/ADuC7061

　　4. 模數轉換器AD7173-8/AD7175-2

　　5. DAC AD5686R/AD5668/ AD5676R

　　6. 基準電壓源ADR3450/ADR4550

　　7. MOSFET驅動(dòng)器 ADuM7223

　　8. 電源管理 ADP2441/ADP7102/ ADM8829

　　9. 多路復用器ADG528F/ADG5408/ ADG658/ADG1406

　　系統工作原理

　　上圖主要包含兩個(gè)功能：一是對電池充電，二是對電池放電，這由AD8450/1和ADP1972的模式信號決定。每個(gè)功能有兩種模式：恒流 （CC）模式和恒壓（CV）模式。兩個(gè)DAC通道控制CC和CV設定點(diǎn)。CC設定點(diǎn)決定充電和放電兩個(gè)功能的CC模式下環(huán)路中有多少電流。CV設定 點(diǎn)決定環(huán)路從CC進(jìn)入CV時(shí)的電池電位，同樣適用于充電和放電兩個(gè)功能。

　　精密模擬前端和控制器AD8450/1利用內部差動(dòng)放大器PGDA測量電池電壓，并利用內部?jì)x表放大器PGIA和外部分流電阻（RS ）測量電池上的 電流。然后，它通過(guò)內部誤差放大器和外部補償網(wǎng)絡(luò )（用于確定環(huán)路功能是CC還是CV），將該電流和電壓與DAC設定點(diǎn)相比較。在該模塊 之后，誤差放大器的輸出進(jìn)入PWM控制器ADP1972，以確定MOSFET功率級的占空比。最后是構成完整環(huán)路的電感和電容。本部分的說(shuō)明 針對充電和放電兩個(gè)功能，因為ADP1972是降壓和升壓PWM控制器。

　　本方案中，ADC獲得環(huán)路電壓和電流的讀數，但它不是控制環(huán)路的一部分。掃描速率與控制環(huán)路的性能無(wú)關(guān)，因此一個(gè)ADC就能測量多 通道系統中大量通道的電流和電壓。DAC也是如此，因而可以使用低成本DAC來(lái)設置多個(gè)通道。此外，單個(gè)處理器只需控制CV和CC設定 點(diǎn)、工作模式及管理功能，因而它可以與許多通道接口。

　　系統性能

　　ADI公司制作了ADP1972和AD8450演示板如下圖，可以用來(lái)驗證其效率和精度。對于該異步降壓和升壓電源系統，直流母線(xiàn)輸入為12 V， 最大充電/放電電流為20 A。

　　效率：在最大額定值、20 A CC模式（充電和放電功能均如此）及3.3 V負載條件下，演示板的效率約為90%。為實(shí)現這一數值，體外二極管、 分流電阻、電感和MOSFET均經(jīng)過(guò)優(yōu)化。

　　精度：校準初始精度之后，電流的精度包括溫漂、全電流范圍（0 A至20 A）內的線(xiàn)性度、短期穩定性（噪聲）和全電壓范圍（0 V至3.6 V）內的 CMRR。在演示板上驗證的結果是，該ADI解決方案的典型電流精度為0.01%以下（25°C ± 10°C）。對電壓精度可以進(jìn)行類(lèi)似的分析，經(jīng)過(guò)此演示板驗證，它同樣在0.01%以下。