基于AD8450/1和ADP1972的锂电池测试解决方案

　　应用简介

　　能源消耗是全球面临的普遍问题，许多行业努力通过实现更安全、更清洁、更高效、低成本的电源解决方案来应对这一问题。混合动力 和电动汽车、太阳能、风能的日渐盛行就是这种趋势的结果。所有这些解决方案都有一个共同之处：锂离子电池。由于这些领域增长迅 速，锂离子电池将在节能方面起到更重要的作用。

　　锂离子电池制造程序非常复杂，包括电极生产、堆叠结构和单元装配。 然后要执行电气测试，以便评定电池容量和性能。这之后还要执行电气测试，以便评定电池在工作中的容量，即额定值。对于锂离子电池制造中的这些电气测试，需要高功率、高效率和高精度的测试设备。ADI公司基于AD8450/1和ADP1972的解决方案正是为此而推出。

　　系统设计考虑因素

　　效率

　　笔记本电脑、手机和类似便携设备中锂离子电池的容量通常很小，典型值是数安时。但是，用于车辆或储能的锂离子电池容量则高得 多，通常在数十甚至数百安时左右。用于小容量电池的线性测试设备，如果也用于高容量电池测试，在充电阶段将会消耗大量功率， 导致效率低下，而且会给设备硬件设计带来相当严重的热问题。ADI AD8450/1和ADP1972解决方案基于PWM架构，有助于解决这一问题。

　　ADI PWM架构还能帮助把更多电池能量送回电网或其他测试通道进行充电。与将电池能量放电至阻性负载的线性架构相比，这是一种环保且 高效的解决方案。

　　精度

　　为了获得准确的锂离子电池容量，需要精确测量充电和放电两种模式下的电流和电压。结合系统中的精密ADC、DAC和其他器件，ADI公 司基于AD8450/1和ADP1972的解决方案可实现高精度测量和设定。

　　低系统成本

　　• 更高的开关频率支持使用尺寸更小、价格更低的功率元件，如电感和电容等

　　• 能源回收利用有助于降低运营成本

　　• AD8450/1精度更高，可降低热管理成本，简化控制环路设计

　　• AD8450/1采用独特的仪表放大器设计，制造过程中的校准时间可缩短一半，性能保证时间可更长

　　• 集成解决方案使得系统尺寸更小，设备和维护成本更低

　　ADI解决方案

　　系统框图

　　下面是从直流母线到电池的系统框图，包括微控制器、模拟前端和控制器、PWM控制器、高压MOSFET驱动器、功率级（MOSFET、电感、 电容、分流电阻）、电压/电流读取（ADC）以及电压/电流设置（DAC）。

　　注释：上述信号链代表从直流母线到电池的通道板设计。模块的技术要求可变化，但下表列出的产品代表满足部分要求的 ADI 解决方案。

　　1. 模拟前端和控制器 AD8450/AD8451

　　2. 降压和升压PWM控制器 ADP1972

　　3. 微控制器ADuC7060/ADuC7061

　　4. 模数转换器AD7173-8/AD7175-2

　　5. DAC AD5686R/AD5668/ AD5676R

　　6. 基准电压源ADR3450/ADR4550

　　7. MOSFET驱动器 ADuM7223

　　8. 电源管理 ADP2441/ADP7102/ ADM8829

　　9. 多路复用器ADG528F/ADG5408/ ADG658/ADG1406

　　系统工作原理

　　上图主要包含两个功能：一是对电池充电，二是对电池放电，这由AD8450/1和ADP1972的模式信号决定。每个功能有两种模式：恒流 （CC）模式和恒压（CV）模式。两个DAC通道控制CC和CV设定点。CC设定点决定充电和放电两个功能的CC模式下环路中有多少电流。CV设定 点决定环路从CC进入CV时的电池电位，同样适用于充电和放电两个功能。

　　精密模拟前端和控制器AD8450/1利用内部差动放大器PGDA测量电池电压，并利用内部仪表放大器PGIA和外部分流电阻（RS ）测量电池上的 电流。然后，它通过内部误差放大器和外部补偿网络（用于确定环路功能是CC还是CV），将该电流和电压与DAC设定点相比较。在该模块 之后，误差放大器的输出进入PWM控制器ADP1972，以确定MOSFET功率级的占空比。最后是构成完整环路的电感和电容。本部分的说明 针对充电和放电两个功能，因为ADP1972是降压和升压PWM控制器。

　　本方案中，ADC获得环路电压和电流的读数，但它不是控制环路的一部分。扫描速率与控制环路的性能无关，因此一个ADC就能测量多 通道系统中大量通道的电流和电压。DAC也是如此，因而可以使用低成本DAC来设置多个通道。此外，单个处理器只需控制CV和CC设定 点、工作模式及管理功能，因而它可以与许多通道接口。

　　系统性能

　　ADI公司制作了ADP1972和AD8450演示板如下图，可以用来验证其效率和精度。对于该异步降压和升压电源系统，直流母线输入为12 V， 最大充电/放电电流为20 A。

　　效率：在最大额定值、20 A CC模式（充电和放电功能均如此）及3.3 V负载条件下，演示板的效率约为90%。为实现这一数值，体外二极管、 分流电阻、电感和MOSFET均经过优化。

　　精度：校准初始精度之后，电流的精度包括温漂、全电流范围（0 A至20 A）内的线性度、短期稳定性（噪声）和全电压范围（0 V至3.6 V）内的 CMRR。在演示板上验证的结果是，该ADI解决方案的典型电流精度为0.01%以下（25°C ± 10°C）。对电压精度可以进行类似的分析，经过此演示板验证，它同样在0.01%以下。