低成本、高精度的电池测试设备数字控制方案

1低成本

采用TI的C2000数字控制方案的典型结构如图 1所示：电流/电压放大器对电池充放电的电流/电压进行采样，通过模数转换器ADC将模拟信号转化为数字信号并送入C2000中，C2000根据恒流或恒压指令与采样信号进行环路计算，输出一定占空比的PWM从而调节MOSFET的开关，最终使得buck/boost变换器按照指令通过恒流或恒压的方式对锂电池进行充放电。

图1

相比于模拟方案，由于电压、电流指令和环路控制都在C2000中产生和完成，省去了高分辨率的数模转换器DAC和误差放大器，有效地降低了系统成本。TMS320F280049是具有100MHz主频、256KB 闪存的 C2000™ 32 位 MCU，通过高分辨率的16bit PWM，最多可以控制8个独立通道的同步buck/boost变换器。采用TMS320F280049的数字控制方案，比传统的模拟控制方案可以节省30%以上的BOM成本。

此外，由于锂离子电池在3C产品、电动汽车、储能等诸多领域都有广泛应用，各类锂离子电池的电流往往差别很大。这导致了电池测试设备若采用模拟控制，往往需要根据电流大小选取不同的硬件方案，增加了研发周期与设备成本。如果采用C2000的数字控制方案，则可以在不改变硬件的前提下，在小电流或大电流模式间自由切换：在小电流时，8各通道可以分别独立运行；在大电流时，则将多个通道并联运行，以输出更大的电流。

图2

如图2所示，在多通道并联运行时，每个通道都将采用同一个恒压环路，恒流环路则各自独立，只需将输出并联后就可以实现更大的输出电流范围。因此，相比于模拟控制，采用C2000的数字控制方案，可以在不改变硬件的条件下适应更广泛的测试场景，大大减少了设备成本。

2 高精度

通过校准，电池测试设备往往可以除去大部分初始系统误差。剩余难以被校准的误差来源主要包括：电流检测电阻的温漂，电流、电压检测放大器的失调与增益温漂、输入共模电压变化带来的失调，ADC的非线性度，基准电压源的温漂。在本文中，按照±5°C的温度变化范围计算误差值。

电流检测电阻：

电流检测电阻的温漂是总系统误差的重要来源，对于CC控制，需要一个几毫欧并且低温度系数的高精度电流检测电阻。本文采用高精密、电流感应金属条 SMD 功率电阻器，检测电阻的阻值为5mΩ，温漂值为10 ppm。那么，由于电流检测电阻的温漂造成的误差为50ppm。

电流检测放大器：

为了减小大电流造成的温升和功率损耗，电流检测电阻的阻值一般较小，因此电流检测放大器的输入差分信号一般不超过几十毫伏，往往选择仪表放大器进行信号调理。仪表放大器的误差主要来源于以下两个方面：环境温度改变时，失调电压和增益的漂移；电池电压改变时，由于输入共模电压变化造成的失调电压。因此，在选择仪表放大器时，应该主要关注失调电压漂移、增益漂移、CMRR等参数。表1为TI主推的几款应用于电池测试设备的仪表放大器的关键参数：

表1

INA821作为一款高精密、低漂移的仪表放大器，失调电压漂移最大值为0.4 µV/°C，那么±5°C温度偏移将会产生2 µV失调电压，即40ppm满量程误差；增益漂移为5 ppm/°C，那么±5°C温度偏移会产生25ppm误差；共模电压抑制比为140dB，那么输入共模电压范围在0~5V变化时，将产生0.5µV失调电压。在10A充电电流下，满量程采样电阻的电压信号为50mV，即输入共模电压变化带来10ppm满量程误差。

电压检测放大器：

电压检测放大器的误差来源同样主要来源于失调电压和增益的漂移，以及输入共模电压变化造成的失调电压。因此，在选择仪表放大器时，同样应该主要关注失调电压漂移、增益漂移、CMRR等参数。

TLV07是一款成本敏感型、低噪声、轨到轨输出、精密运算放大器，失调电压漂移的典型值为0.9 µV/°C，那么±5°C温度偏移将会产生4.5µV失调电压，即1ppm满量程误差；增益漂移主要受输入电阻与反馈电阻的漂移误差的影响，在这里取5 ppm/°C，那么±5°C温度偏移会产生25ppm误差。共模电压抑制比最小值为104dB，那么输入共模电压范围在0~5V变化时，将产生31.5µV失调电压，即6ppm满量程误差。

模数转换器及基准电压源：

模数转换器ADC的误差主要是由于非线性度和基准电压源的漂移造成的。ADS131M08是24位、32kSPS 、8通道同步采样的Δ-Σ高精度ADC，由于ADS131M08是差分输入，可以有效减小由于各通道间串扰引起的误差。从数据表中可以查到，ADS131M08的非线性度INL仅为7.5ppm满量程误差。如果采用内部基准电压源，温漂最大值为20 ppm/°C，那么±5°C温度偏移会产生100ppm误差。如果采用外部基准电压源REF2025，温漂最大值仅为8 ppm/°C，那么±5°C温度偏移误差将会降至40ppm。

误差汇总：

根据以上分析，将各误差来源造成的误差值汇总，即可计算得到在恒流、恒压控制时，电池测试设备的系统总误差如表2所示。可以看到，采用C2000的数字控制方案，电流和电压误差范围都在万二以内，达到了极高的控制精度。

表2

综上所述，在电池测试设备中采用TI的C2000数字控制方案，在降低系统成本的同时，可以保证极高的电流、电压控制精度，非常适合在各类电池测试方案中的应用。

参考文献：

电池测试设备-参考设计及 产品

TIDA-010086 Digital control reference design for cost-optimized battery test systems