基于AD8450/1和ADP1972的鋰電池測試解決方案

    應(yīng)用簡介
    能源消耗是全球面臨的普遍問題，許多行業(yè)努力通過實(shí)現(xiàn)更安全、更清潔、更高效、低成本的電源解決方案來應(yīng)對這一問題?；旌蟿恿?和電動汽車、太陽能、風(fēng)能的日漸盛行就是這種趨勢的結(jié)果。所有這些解決方案都有一個共同之處：鋰離子電池。由于這些領(lǐng)域增長迅 速，鋰離子電池將在節(jié)能方面起到更重要的作用。
    鋰離子電池制造程序非常復(fù)雜，包括電極生產(chǎn)、堆疊結(jié)構(gòu)和單元裝配。 然后要執(zhí)行電氣測試，以便評定電池容量和性能。這之后還要執(zhí)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(shè)備。ADI公司基于AD8450/1和ADP1972的解決方案正是為此而推出。
    系統(tǒng)設(shè)計考慮因素
    效率
    筆記本電腦、手機(jī)和類似便攜設(shè)備中鋰離子電池的容量通常很小，典型值是數(shù)安時。但是，用于車輛或儲能的鋰離子電池容量則高得 多，通常在數(shù)十甚至數(shù)百安時左右。用于小容量電池的線性測試設(shè)備，如果也用于高容量電池測試，在充電階段將會消耗大量功率， 導(dǎo)致效率低下，而且會給設(shè)備硬件設(shè)計帶來相當(dāng)嚴(yán)重的熱問題。ADI AD8450/1和ADP1972解決方案基于PWM架構(gòu)，有助于解決這一問題。
    ADI PWM架構(gòu)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(fù)載的線性架構(gòu)相比，這是一種環(huán)保且 高效的解決方案。
    精度
    為了獲得準(zhǔn)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(jié)合系統(tǒng)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(xiàn)高精度測量和設(shè)定。
    低系統(tǒng)成本
    更高的開關(guān)頻率支持使用尺寸更小、價格更低的功率元件，如電感和電容等
    能源回收利用有助于降低運(yùn)營成本
    AD8450/1精度更高，可降低熱管理成本，簡化控制環(huán)路設(shè)計
    AD8450/1采用獨(dú)特的儀表放大器設(shè)計，制造過程中的校準(zhǔn)時間可縮短一半，性能保證時間可更長
    集成解決方案使得系統(tǒng)尺寸更小，設(shè)備和維護(hù)成本更低
    ADI解決方案
    系統(tǒng)框圖
    下面是從直流母線到電池的系統(tǒng)框圖，包括微控制器、模擬前端和控制器、PWM控制器、高壓MOSFET驅(qū)動器、功率級（MOSFET、電感、 電容、分流電阻）、電壓/電流讀取（ADC）以及電壓/電流設(shè)置（DAC）。

    基于AD8450/1和ADP1972的鋰電池測試解決方案

    注釋：上述信號鏈代表從直流母線到電池的通道板設(shè)計。模塊的技術(shù)要求可變化，但下表列出的產(chǎn)品代表滿足部分要求的 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(shù)轉(zhuǎn)換器AD7173-8/AD7175-2
    5. DAC AD5686R/AD5668/ AD5676R
    6. 基準(zhǔn)電壓源ADR3450/ADR4550
    7. MOSFET驅(qū)動器 ADuM7223
    8. 電源管理 ADP2441/ADP7102/ ADM8829
    9. 多路復(fù)用器ADG528F/ADG5408/ ADG658/ADG1406
    系統(tǒng)工作原理
    上圖主要包含兩個功能：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。每個功能有兩種模式：恒流 （CC）模式和恒壓（CV）模式。兩個DAC通道控制CC和CV設(shè)定點(diǎn)。CC設(shè)定點(diǎn)決定充電和放電兩個功能的CC模式下環(huán)路中有多少電流。CV設(shè)定 點(diǎn)決定環(huán)路從CC進(jìn)入CV時的電池電位，同樣適用于充電和放電兩個功能。
    精密模擬前端和控制器AD8450/1利用內(nèi)部差動放大器PGDA測量電池電壓，并利用內(nèi)部儀表放大器PGIA和外部分流電阻（RS ）測量電池上的 電流。然后，它通過內(nèi)部誤差放大器和外部補(bǔ)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(shè)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(gòu)成完整環(huán)路的電感和電容。本部分的說明 針對充電和放電兩個功能，因?yàn)锳DP1972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(shù)，但它不是控制環(huán)路的一部分。掃描速率與控制環(huán)路的性能無關(guān)，因此一個ADC就能測量多 通道系統(tǒng)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來設(shè)置多個通道。此外，單個處理器只需控制CV和CC設(shè)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(tǒng)性能
    ADI公司制作了ADP1972和AD8450演示板如下圖，可以用來驗(yàn)證其效率和精度。對于該異步降壓和升壓電源系統(tǒng)，直流母線輸入為12 V， 最大充電/放電電流為20 A。

    基于AD8450/1和ADP1972的鋰電池測試解決方案

    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(fù)載條件下，演示板的效率約為90%。為實(shí)現(xiàn)這一數(shù)值，體外二極管、 分流電阻、電感和MOSFET均經(jīng)過優(yōu)化。
    精度：校準(zhǔn)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(nèi)的線性度、短期穩(wěn)定性（噪聲）和全電壓范圍（0 V至3.6 V）內(nèi)的 CMRR。在演示板上驗(yàn)證的結(jié)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)行類似的分析，經(jīng)過此演示板驗(yàn)證，它同樣在0.01%以下。