電池測試設備，是鋰離子電池生產(chan) 線後處理係統的重要環節，對於(yu) 鋰離子電池的質量至關(guan) 重要。電池測試設備的核心功能是對鋰離子電池進行高精度的恒流或恒壓充放電，傳(chuan) 統的控製方法以使用分立器件搭建的模擬控製方案為(wei) 主。相比於(yu) 傳(chuan) 統的模擬控製方案，采用TI的C2000™為(wei) 核心實現的數字控製方案，由於(yu) 其低成本、高精度、更靈活、保密性較好等優(you) 點，將成為(wei) 未來電池測試設備主流的發展方向。本文中，將詳細介紹如何通過TI的C2000™數字控製方案，有效降低係統成本，並保證極高的電流、電壓控製精度。

1低成本

采用TI的C2000數字控製方案的典型結構如圖 1所示：電流/電壓放大器對電池充放電的電流/電壓進行采樣，通過模數轉換器ADC將模擬信號轉化為(wei) 數字信號並送入C2000™中，C2000根據恒流或恒壓指令與(yu) 采樣信號進行環路計算，輸出一定占空比的PWM從(cong) 而調節MOSFET的開關(guan) ，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行充放電。

圖1

相比於(yu) 模擬方案，由於(yu) 電壓、電流指令和環路控製都在C2000中產(chan) 生和完成，省去了高分辨率的數模轉換器DAC和誤差放大器，有效地降低了係統成本。

TMS320F280049是具有100MHz主頻、256KB 閃存的 C2000™ 32 位 MCU，通過高分辨率的16bit PWM，最多可以控製8個(ge) 獨立通道的同步buck/boost變換器。采用TMS320F280049的數字控製方案，比傳(chuan) 統的模擬控製方案可以節省30%以上的BOM成本。

此外，由於(yu) 鋰離子電池在3C產(chan) 品、電動汽車、儲(chu) 能等諸多領域都有廣泛應用，各類鋰離子電池的電流往往差別很大。這導致了電池測試設備若采用模擬控製，往往需要根據電流大小選取不同的硬件方案，增加了研發周期與(yu) 設備成本。如果采用C2000的數字控製方案，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(ge) 通道並聯運行，以輸出更大的電流。

圖2

如圖2所示，在多通道並聯運行時，每個(ge) 通道都將采用同一個(ge) 恒壓環路，恒流環路則各自獨立，隻需將輸出並聯後就可以實現更大的輸出電流範圍。因此，相比於(yu) 模擬控製，采用C2000的數字控製方案，可以在不改變硬件的條件下適應更廣泛的測試場景，大大減少了設備成本。

2 高精度

通過校準，電池測試設備往往可以除去大部分初始係統誤差。剩餘(yu) 難以被校準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與(yu) 增益溫漂、輸入共模電壓變化帶來的失調，ADC的非線性度，基準電壓源的溫漂。在本文中，按照±5°C的溫度變化範圍計算誤差值。

電流檢測電阻：

電流檢測電阻的溫漂是總係統誤差的重要來源，對於(yu) CC控製，需要一個(ge) 幾毫歐並且低溫度係數的高精度電流檢測電阻。本文采用高精密、電流感應金屬條 SMD 功率電阻器，檢測電阻的阻值為(wei) 5mΩ，溫漂值為(wei) 10 ppm。那麽(me) ，由於(yu) 電流檢測電阻的溫漂造成的誤差為(wei) 50ppm。

電流檢測放大器：

為(wei) 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(yi) 表放大器進行信號調理。儀(yi) 表放大器的誤差主要來源於(yu) 以下兩(liang) 個(ge) 方麵：環境溫度改變時，失調電壓和增益的漂移；電池電壓改變時，由於(yu) 輸入共模電壓變化造成的失調電壓。因此，在選擇儀(yi) 表放大器時，應該主要關(guan) 注失調電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數。表1為(wei) TI主推的幾款應用於(yu) 電池測試設備的儀(yi) 表放大器的關(guan) 鍵參數：

表1

INA821作為(wei) 一款高精密、低漂移的儀(yi) 表放大器，失調電壓漂移最大值為(wei) 0.4 µV/°C，那麽(me) ±5°C溫度偏移將會(hui) 產(chan) 生2 µV失調電壓，即40ppm滿量程誤差；增益漂移為(wei) 5 ppm/°C，那麽(me) ±5°C溫度偏移會(hui) 產(chan) 生25ppm誤差；共模電壓抑製比為(wei) 140dB，那麽(me) 輸入共模電壓範圍在0~5V變化時，將產(chan) 生0.5µV失調電壓。在10A充電電流下，滿量程采樣電阻的電壓信號為(wei) 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於(yu) 失調電壓和增益的漂移，以及輸入共模電壓變化造成的失調電壓。因此，在選擇儀(yi) 表放大器時，同樣應該主要關(guan) 注失調電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數。

TLV07是一款成本敏感型、低噪聲、軌到軌輸出、精密運算放大器，失調電壓漂移的典型值為(wei) 0.9 µV/°C，那麽(me) ±5°C溫度偏移將會(hui) 產(chan) 生4.5µV失調電壓，即1ppm滿量程誤差；增益漂移主要受輸入電阻與(yu) 反饋電阻的漂移誤差的影響，在這裏取5 ppm/°C，那麽(me) ±5°C溫度偏移會(hui) 產(chan) 生25ppm誤差。共模電壓抑製比最小值為(wei) 104dB，那麽(me) 輸入共模電壓範圍在0~5V變化時，將產(chan) 生31.5µV失調電壓，即6ppm滿量程誤差。

模數轉換器及基準電壓源：

模數轉換器ADC的誤差主要是由於(yu) 非線性度和基準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，由於(yu) ADS131M08是差分輸入，可以有效減小由於(yu) 各通道間串擾引起的誤差。從(cong) 數據表中可以查到，ADS131M08的非線性度INL僅(jin) 為(wei) 7.5ppm滿量程誤差。如果采用內(nei) 部基準電壓源，溫漂最大值為(wei) 20 ppm/°C，那麽(me) ±5°C溫度偏移會(hui) 產(chan) 生100ppm誤差。如果采用外部基準電壓源REF2025，溫漂最大值僅(jin) 為(wei) 8 ppm/°C，那麽(me) ±5°C溫度偏移誤差將會(hui) 降至40ppm。

誤差匯總：

根據以上分析，將各誤差來源造成的誤差值匯總，即可計算得到在恒流、恒壓控製時，電池測試設備的係統總誤差如表2所示。可以看到，采用C2000的數字控製方案，電流和電壓誤差範圍都在萬(wan) 二以內(nei) ，達到了極高的控製精度。

表2

綜上所述，在電池測試設備中采用TI的C2000數字控製方案，在降低係統成本的同時，可以保證極高的電流、電壓控製精度，非常適合在各類電池測試方案中的應用。

(來源：德州儀(yi) 器）