储能电源中的模数转换芯片

电子发烧友网报道（文/黄山明）ADC（模数转换芯片）是储能系统中必不可少的芯片，是模拟芯片中难度最高的一部分，也被人们赞誉为模拟电路皇冠上的明珠。ADC在储能电源中的作用主要是进行高精度数模转换，实现模拟信号到数字信号的转换。
 
ADC是电力设备必备产品
 
1974年，世界上首个ADC芯片由IBM的M. Klein所推出，至今已有近50年的历史。ADC 主要作用是将真实世界产生的如温度、压力、声音、指纹或者图像等模拟信号转换成更容易处理的数字形式。
 
模拟信号经过带限滤波、采样保持电路，成为梯形信号，再经过编码器，使梯形信号中的每一级都变成二进制码。最后，模拟量被转换成数字量，然后传送到CPU。也就是说，几乎所有的通电数据都需要经过ADC转换。
 
与ADC相对的还有DAC，主要作用是将数字信号调制成模拟信号，从应用需求来看，ADC总需求更高，占比接近 80%。
 
市场中，目前的主导企业主要为ADI、TI、瑞萨等，国内的企业如圣邦微、芯海、必易微、晶华微、芯佰微、迅芯微、治精微、类比、智毅聚芯等。
 
ADC芯片的工作原理是将模拟信号转化为数字信号，需要经过采样、保持、量化和编程四个阶段。根据不同的处理方式，ADC芯片的结构及其应用场景有很多种，例如Flash结构、Half-Flash结构、折叠型（Folding）结构、Σ-Δ（Sigma-Delta）结构、逐次逼近型（SAR）结构、流水型（Pipelined）等，储能电源中主要使用的便是Σ-Δ ADC。
 
有意思的是，尽管ADC芯片已经发展了近半个世纪，但ADC/DAC芯片产业更新迭代的速度要比普通的芯片更快，大概是以4-6年为一个周期。
 
据 Statista 统计，2022年ADC芯片市场规模约为29.3 亿美元，同比增长6.55%，预计到2027年全球ADC芯片市场规模将达到40.9亿美元，2022-2027年均复合增速为6.90%。
 
储能电源中关键的ADC
 
ADC芯片在储能电源中扮演着重要的角色，主要用于电池的监测和管理。在电化学储能系统中，BMS（电池管理系统）是至关重要的部分，它需要实时监测电池的状态，如电压、电流和温度等，并通过特定的算法对电池的SOC（State of Charge，充电状态）和SOH（State of Health，健康状态）等关键参数进行估计。
 
为了实现高精度的电池状态估计和有效的电池管理，ADC芯片将模拟信号转换为数字信号供给BMS使用。这样，MCU就可以根据这些精确的数字信号数据对电池进行适当的管理和控制，以确保电池的安全和有效运行。
 
例如，当电池的温度升高或者电流过大时，MCU可以通过ADC芯片获取到这些信息，并及时采取相应的措施来防止电池出现过热或者过充的情况，从而保护电池的使用寿命和安全。
 
从工作原理来看，ADC是将模拟信号转换为数字信号。这个过程通常包括采样、保持、量化和编码四个步骤。
 
ADC通过采样-保持电路，将输入的模拟信号进行取样，即选取信号的一个时间点或者一小段时间内的电平作为样本。在取样后，ADC会保持这个样本值不变，直到下一次取样。
 
随后ADC会将取样后的模拟信号转换为数字信号，这个过程包括将模拟信号的幅度进行数字化，通常采用二进制表示。最后，ADC将量化后的数字信号进行编码，将其转换成二进制代码，以便于计算机或者其他数字系统进行处理和识别。
 
ADC芯片的核心原理是将模拟信号转换为数字信号，而这个转换的过程是通过比较和转换实现的。在比较过程中，ADC将输入模拟信号与一个参考模拟量进行比较，得到一个相对的数字值。而转换则是将这个相对的数字值转换成真正的二进制数值。
 
不同类型的ADC芯片有不同的实现方式和工作原理，如逐次逼近型ADC、Σ-Δ型ADC等。其中，逐次逼近型ADC采用逐次比较的方法，将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经过多次比较而输出数字值。Σ-Δ型ADC则以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。
 
小结
 
在储能电源中，ADC的作用主要是进行高精度数模转换，实现模拟信号到数字信号的转换。在储能系统中，ADC广泛应用于电信号的检测，如电池包电压和电流/绝缘电阻、接触器端电压、继电器粘连检测、充电检测等，帮助实现整个锂电池管理过程中的状态监控、故障诊断和充放电管理。