精密模拟控制器优化高效率锂离子电池

    图5. 数字控制环路

    在多通道系统中，每个通道一般要求使用一个微控制器和一组专用ADC。微控制器处理数据采集、数字控制环路、PWM 生成、控制和通信功能，因此它必须具有非常高的处理能力。此外，由 于处理器必须处理多个并行任务，PWM 信号中的抖动可能会引起问题，尤其是PWM 占空比较低时。作为控制环路的一部分，微处理器会影响环路带宽。

    图6 中的电池测试系统采用模拟控制环路。两个DAC 通道控制CC 和CV 设定点。 AD8450/AD8451 用于电池测试与化成系统的精密模拟前端和控制器可测量电池电压和电流，并与设定点进行比较。CC 和CV 环路决定MOSFET 功率级的占空比模式从充 电变为放电后，测量电池电流的仪表放大器的极性转，以保证 其输出为正，同时在CC 和CV 放大器内部切换可选择正确的补偿网络。整个功能通过单引脚利用标准数字逻辑控制。

    图6. 模拟控制环路

    在此方案中，ADC 监测系统，但它不属于控制环路的一部分。扫描速率与控制环路性能无关，因此在多通道系统中，单个ADC 可测量大量通道上的电流和电压。对于DAC 而言同样如此，因此针对多个通道可采用低成本DAC。此外，单个处理器只需控制CV和CC 设定点、工作模式和管理功能，因此它能与多通道实现接口。处理器不决定控制环路性能，因此并不要求高性能。

    ADP1972 PWM 发生器使用单引脚控制降压或升压工作模式。模 拟控制器和PWM 发生器之间的接口由不受抖动影响的低阻抗模拟信号构成;而抖动会使数字环路产生问题。表2 显示模拟环路相比数字环路如何提供更高的性能和更低的成本。

    表2. 模拟和数字控制环路比较

　

数字解决方案

模拟解决方案

模拟优势

环路带宽

随放大器、ADC、微处理器而变  20 kHz，250 kSPS ADC

取决于放大器；  1.5 MHz（AD845x，G = 26）

更快地控制

精度 0.05%或更差； 具体取决于ADC 和算法

0.04%或更佳；具体取决于AD845x

更高精度

depends on AD845x

开关频率

具体取决于算法和微处理器速度；有低频抖动

高达300  kHz；具体取决于ADP1972干净的PWM 输出

成本较低的电源解决方案

能效

在资源和降压/升压开关频率之间权衡取舍

90%+；芯片组无限制

更高的效率

功率电子器件

大尺寸、高成本元器件

小尺寸、低成本元器件

尺寸更小、成本更低

转换器共用

无；高成本，专用器件

有；多通道，低电压

成本更低

双极性输入ADC

单极性ADC

整体解决方案

高成本ADC  和功率电子器件大量软件投入

低成本ADC  和功率电子器件无需软件

硬件、校准和运作成本更低；性能更高

www.55dianzi.com

    特定温度范围内的系统精度

    校准可除去大部分初始系统误差。余下的误差包括：放大器CMRR、DAC(用于控制电流和电压设定点)非线性和温度漂移造成的误差。制造商指定的温度范围各有不同，但最常见的是25°C ±10°C，本文即以此为例。

    本设计中使用的电池，完全放电后电压为2.7 V，完全充电后电压为4.2 V;使用5 mΩ分流电阻的满量程电流为12 A;用于。 AD8450 的电流检测放大器的增益为66;用来测量电池电压差动放大器 增益为0.8。

    总系统误差中，电流检测电阻漂移占了相当一部分。Vishay 大金属电阻;器件型号：Y14880R00500B9R，最大温度系数为15ppm/°C，可减少漂移。AD5689双通道、16 位nanoDAC+™模 转换器，最大INL 额定值为2 LSB，可降低非线性度。ADR45404.096 V 基准电压源，最大温度系数额定值为4 ppm/°C，是在电流和电压设定点之间进行取舍后的理想选择。经电流检测放大器以66 倍衰减后，DAC INL 会使满量程误差增加约32 ppm，基准电 压源引入的增益误差为40 ppm。

    电流检测放大器在增益为66 时的CMRR 最小值为116 dB。如果系统针对2.7 V 电池进行校准，则4.2 V 电池将产生40 ppm 满量程误差。此外，CMRR 变化为0.01 μV/V/°C，或者0.1μV/V(10°C 温度范围)。电流检测放大器的失调电压漂移最大值为0.6 μV/°C，因而10°C 温度偏移将产生6 μV 失调，或者100 ppm 满量程误差。

    最后，电流检测放大器的增益漂移最大值为3 ppm/°C，而总漂移为30 ppm(10°C 范围内)。检测电阻漂移为15ppm/°C，因此总共增加150 ppm 增益漂移(10°C 范围内)。表3 总结了这些误差 源，它们产生的总满量程误差不足0.04%。该误差很大一部分来源于分流电阻，因此必要时可以采用漂移值较低的分流电阻，以改善系统精度。

    表3. 10ºC 范围内的电流测量误差

误差源

误差

单位

AD5689R INL

31

ppm  FS

AD8450 CMRR

40

ppm  FS

AD8450 失调漂移

100

ppm  FS

AD8450 CMRR 漂移

3

ppm  FS

总失调误差

174

ppm  FS

ADR4540A 漂移

40

ppm  读数

AD8450 增益漂移

30

ppm  读数

分流电阻漂移

150

ppm  读数

总增益漂移

220

上一页  [1] [2] [3]  下一页

本文关键字：电池  精密  模拟控制器  电池技术，电源动力技术 - 电池技术