電池測試設備，是鋰離子電池生產線後處理系統的重要環節，對於鋰離子電池的品質至關重要。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，傳統的控制方法以使用分立器件搭建的模擬控制方案為主。相比于傳統的模擬控制方案，採用TI的C2000™為核心實現的數位控制方案，由於其低成本、高精度、更靈活、保密性較好等優點，將成為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™數位控制方案，有效降低系統成本，並保證極高的電流、電壓控制精度。
1低成本
採用TI的C2000數位控制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/電壓進行採樣，通過模數轉換器ADC將類比信號轉化為數位信號並送入C2000™中，C2000根據恒流或恒壓指令與採樣信號進行環路計算，輸出一定占空比的PWM從而調節MOSFET的開關，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
相比於類比方案，由於電壓、電流指令和環路控制都在C2000中產生和完成，省去了高解析度的數模轉換器DAC和誤差放大器，有效地降低了系統成本。
TMS320F280049是具有100MHz主頻、256KB 快閃記憶體的 C2000™ 32 位 MCU，通過高解析度的16bit PWM，最多可以控制8個獨立通道的同步buck/boost變換器。採用TMS320F280049的數位控制方案，比傳統的模擬控制方案可以節省30%以上的BOM成本。
此外，由於鋰離子電池在3C產品、電動汽車、儲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採用類比控制，往往需要根據電流大小選取不同的硬體方案，增加了研發週期與設備成本。如果採用C2000的數位控制方案，則可以在不改變硬體的前提下，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，每個通道都將採用同一個恒壓環路，恒流環路則各自獨立，只需將輸出並聯後就可以實現更大的輸出電流範圍。因此，相比於模擬控制，採用C2000的數位控制方案，可以在不改變硬體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系統誤差。剩餘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系統誤差的重要來源，對於CC控制，需要一個幾毫歐並且低溫度係數的高精度電流檢測電阻。本文採用高精密、電流感應金屬條 SMD 功率電阻器，檢測電阻的阻值為5mΩ，溫漂值為10 ppm。那麼，由於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，往往選擇儀錶放大器進行信號調理。儀錶放大器的誤差主要來源於以下兩個方面：環境溫度改變時，失調電壓和增益的漂移；電池電壓改變時，由於輸入共模電壓變化造成的失調電壓。因此，在選擇儀錶放大器時，應該主要關注失調電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數。表1為TI主推的幾款應用於電池測試設備的儀錶放大器的關鍵參數：
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、低漂移的儀錶放大器，失調電壓漂移最大值為0.4 µV/°C，那麼±5°C溫度偏移將會產生2 µV失調電壓，即40ppm滿量程誤差；增益漂移為5 ppm/°C，那麼±5°C溫度偏移會產生25ppm誤差；共模電壓抑制比為140dB，那麼輸入共模電壓範圍在0~5V變化時，將產生0.5µV失調電壓。在10A充電電流下，滿量程採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於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，在選擇儀錶放大器時，同樣應該主要關注失調電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數。
TLV07是一款成本敏感型、低雜訊、軌到軌輸出、精密運算放大器，失調電壓漂移的典型值為0.9 µV/°C，那麼±5°C溫度偏移將會產生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回饋電阻的漂移誤差的影響，在這裡取5 ppm/°C，那麼±5°C溫度偏移會產生25ppm誤差。共模電壓抑制比最小值為104dB，那麼輸入共模電壓範圍在0~5V變化時，將產生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通道同步採樣的Δ-Σ高精度ADC，由於ADS131M08是差分輸入，可以有效減小由於各通道間串擾引起的誤差。從資料表中可以查到，ADS131M08的非線性度INL僅為7.5ppm滿量程誤差。如果採用內部基準電壓源，溫漂最大值為20 ppm/°C，那麼±5°C溫度偏移會產生100ppm誤差。如果採用外部基準電壓源REF2025，溫漂最大值僅為8 ppm/°C，那麼±5°C溫度偏移誤差將會降至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、恒壓控制時，電池測試設備的系統總誤差如表2所示。可以看到，採用C2000的數位控制方案，電流和電壓誤差範圍都在萬二以內，達到了極高的控制精度。
表2
|
電流誤差 |
電壓誤差 |
||
|
誤差來源 |
滿量程誤差 |
誤差來源 |
滿量程誤差 |
|
分流電阻溫漂 |
50 ppm |
分流電阻溫漂 |
50 ppm |
|
INA821失調溫漂 |
40 ppm |
TLV07失調溫漂 |
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，在電池測試設備中採用TI的C2000數位控制方案，在降低系統成本的同時，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用。
關於德州儀器 (TI)
德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，致力於設計、製造、測試和銷售類比和嵌入式處理晶片，用於工業、汽車、個人電子產品、通信設備和企業系統等市場。我們致力於通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，創造一個更美好的世界。如今，每一代創新都建立在上一代創新的基礎之上，使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用，這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。 欲瞭解更多資訊，請訪問公司網站http://www.ti.com.cn/。
商標
所有其它商標和注冊商標均歸其各自所有者專屬。
