CN0352 高性價比多通道鋰離子電池測試系統(tǒng)

CN0352 ADP5061 和 ADP5062均為線性電池充電器，具有充電電流 高達2 A的管理功能。ADP5062采用4 mm × 4 mm LFCSP 封裝。 ADG714 是一款八通道單刀單擲(SPST)開關(guān)，集成QSPI?兼 容型接口。ADG714的SPI時鐘可以比I2C總線的400 kHz上 限高很多。因此，通道開關(guān)時間比ADG715短得多，并且 ADG714是16或32電池通道系統(tǒng)的更佳選擇。 完整的EVAL-CN0352-EB1Z板文檔——包括完整原理圖、MCU 源代碼、布局圖、Gerber文件和物料清單請參見www.analog.com/CN0352-DesignSupport. 警告 此評估系統(tǒng)與鋰離子電池對接，電池過度充電、過度放電 或源電流/吸電流超出電池制造商規(guī)格時可能使其受損、著 火或爆炸。操作時，采取一切必要措施保護用戶。 CN-0352的PC評估軟件與EVAL-CN0352-EB1Z硬件通信， 捕捉并分析來自EVAL-CN0352-EB1Z電路板的數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： EVAL-CN0352-EB1Z電路評估板系統(tǒng) 5 V、3 A或更高直流電源，或壁式電源適配器 帶USB端口的PC或筆記本電腦 支持115,200 bps的USB轉(zhuǎn)RS485適配器 CN-0352評估軟件(參見CN-0352用戶指南)) 鋰離子電池樣品和電池座(出于安全考慮，強烈建議使用集成了保護電路的鋰離子電池) 開始使用 有關(guān)評估硬件和軟件的操作詳情請參閱CN-0352用戶指南，可在 www.analog.com/CN0352-UserGuide上找到。 功能框圖 圖12顯示測試設(shè)置的功能框圖。 圖12. 測試設(shè)置功能框圖 設(shè)置 將MCU板(EVAL-CN0352-EB1Z_MCU)和輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_I/O)插入基板(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)上的連接器，如圖12所示。在5 V電源關(guān)斷的情況下，將5 V直流電源連接至標(biāo)記為PWR的終端模塊。輸入/輸出板上用于冷卻散熱器的風(fēng)扇是必要的，但包裝盒內(nèi)不包括風(fēng)扇。 標(biāo)記為FAN1、FAN2和FPWR的連接頭用來連接風(fēng)扇。引腳定義如圖13所示。仔細驗證風(fēng)扇的引腳連接。PWM控制風(fēng)扇的典型電源為12 V。VFAN可以接受的范圍為0 V至15 V。將VFAN連接至外部直流風(fēng)扇電源。 圖13. 風(fēng)扇連接 將USB轉(zhuǎn)RS485適配器的USB端口連接至PC上的USB端口，將RS485端連接至MCU板上標(biāo)記為COM的終端模塊。 開啟5 V直流電源和風(fēng)扇電源，然后將鋰離子電池連接至輸入/輸出板。 CN-0352軟件用戶指南提供有關(guān)測試設(shè)置以及如何使用評估軟件收集測試數(shù)據(jù)并分析結(jié)果的詳細信息。 圖14. 連接8個電池的完整電池測試系統(tǒng) 8通道電池測試系統(tǒng)(EVAL-CN0352-EB1Z)包含8個輸入/ 輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)和1個MCU板(EVALCN0352- EB1Z_MCU)，插在1個基板上(EVAL-CN0352- EB1Z_BAS)。圖2所示電路為輸入/輸出板。 圖2. EVAL-CN0352-EB1Z_IO，鋰離子電池充電和放電控制電路 (簡化原理圖：未顯示所有連接和去耦) 輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)描述 使用ADP5065進行電池充電控制 ADP5065處理單個鋰離子電池或鋰聚合物電池所需的全部 充電控制，包括恒流(CC)模式、恒壓(CV)模式和涓流充電 (TC)模式。TC模式可以測試深度放電電池，確保安全性。 ADP5065采用DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，相比更為傳統(tǒng)的線 性穩(wěn)壓器而言，在充電過程中具有很高的效率。 ADP5065集成了多種重要特性來確保高可靠性，包括熱管 理、電池故障檢測和故障恢復(fù)。 ADP5065的充電參數(shù)——比如快速充電電流、充電終端電 流和充電終端電壓——均可通過I2C接口編程設(shè)置。這種可 編程性使ADP5065能用于多種類型的鋰離子電池，同時還 可作為完整的電池充電和測試控制器使用。 電池放電控制和電子負載(E-Load)電路 圖2中虛線框內(nèi)的電子負載(E-load)電路提供了可編程恒流 負載，采用AD8601精密CMOS運算放大器、4個1 W、1%功 率電阻，以及2個功率SIR464 MOSFET。 E-load電流目前由AD8601同相輸入端上的控制電壓精確控 制?？刂齐妷?MCU板上的V_DAC)范圍為0 V至1 V，產(chǎn)生 的負載電流為0 A至2 A。鋰離子電池的典型放電終端電壓 為3.0 V。此E-load允許的輸出電壓最小值為： 功率MOSFET和功率電阻在放電過程中消耗全部的電池電 能。此模塊的冷卻系統(tǒng)僅供演示用途，當(dāng)放電電流高于 750 mA時，須額外注意確保足夠的冷卻性能。 由于MOSFET導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，可以將同樣類型 的多個器件并聯(lián)使用，并通過圖2中顯示為E-電路的單個 環(huán)路控制。這是擴展功率MOSFET電路功率處理能力的常 用方法。 圖3中的采樣保持電路控制各通道上的放電電壓。 ADuCM360通過輸出各通道的預(yù)配置放電控制電壓然后導(dǎo)通相應(yīng)的ADG715開關(guān)，從而按順序刷新輸入/輸出板的放 電電壓。 圖3. 多通道電流控制電路的采樣保持電路 任何時候都只有一個輸入/輸出板的ADG715開關(guān)閉合。0.1 F 電容在兩次采樣之間由DAC通過1 k電阻充電，在兩次保 持之間通過10 M電阻(1 k接地)放電。充電和放電的帶 寬分別約為1.6 kHz和0.16 Hz。對0.1 F電容上的電壓放電 時需要使用10 M電阻，如果未連接MCU板則將放電電壓 拉至接近地電壓。 假定一個N通道系統(tǒng)的采樣和保持時間分別為TS和TH，則 必須滿足下列條件： 因此，更多的通道需要更長的保持時間，而漏電流導(dǎo)致電 壓下降更大。對于CN-0352系統(tǒng)而言，N = 8，TS = 1 ms， TH = 7 ms，電壓下降可以忽略。 熱管理 大多數(shù)鋰離子電池?zé)o法在低于0°C或高于60°C的溫度下充 電?？焖俪潆姾头烹娭荒茉?0°C到45°C范圍內(nèi)進行。 除了安全問題，鋰離子電池的性能也可能隨著溫度而大幅 改變。因此，應(yīng)精確測量電池溫度，確保測試結(jié)果的可重 復(fù)性，同時也為了確保安全性。 使用10 k熱敏電阻監(jiān)控電池溫度，該熱敏電阻通過雙線式 連接溫度連接器模塊。待測電池通常位于電路板附近，因 此熱敏電阻引線電阻可以忽略。 輸入/輸出板上還有另一個10 k電阻，它連接ADP5065的 THR引腳，如圖2所示。 該熱敏電阻用來監(jiān)控輸入/輸出板散熱器附近的溫度，因為 放電時溫度相對較高。檢測熱敏電阻溫度信息，并將其保 存在ADP5065充電器狀態(tài)寄存器2中，同時MCU板通過I2C 總線對其監(jiān)控。輸入/輸出板上有兩個連接頭，用來連接外 部風(fēng)扇，并分配可配置脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。如果熱 敏電阻溫度低于45°C，則輸入風(fēng)扇的PWM信號由MCU設(shè) 為50%占空比。如果溫度大于45°C，則占空比增加至 95%。如果溫度超過60°C，則ADP5065自動停止充電過 程。溫度閾值可以通過與熱敏電阻并聯(lián)或串聯(lián)放置一個固 定電阻來微調(diào)。 電池連接和檢測 待測電池通過四線式開爾文連接至輸入/輸出板，消除引線 電阻引起的誤差。I+和I?連接線必須具有低引線電阻，以 便搭載充電和放電電流。V+和V?線路檢測電池電壓，只 有很小的偏置電流。通過測量0.02 、1%電流檢測電阻， 從而檢測充電和放電電流。 所有電池信息均以差分方式檢測，增加魯棒性并降低共模 誤差——這很重要，因為充電和放電期間具有較大的接地 電流。 MCU板(EVAL-CN0352-EB1Z_MCU)描述 電壓調(diào)理電路 圖4中的電路是一個信號調(diào)理電路，可用于電壓、電流和 溫度通道。所有來自輸入/輸出板的信號均路由至 ADuCM360的模擬輸入通道，并通過兩個片上集成的24位 -型ADC進行數(shù)字化。 圖4. EVAL-CN0352-EB1Z_MCU，利用ADuCM360進行信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦) 充電終端電壓由ADP5065生成，并在3.5 V至4.42 V范圍內(nèi) 可調(diào)節(jié)，兼容各種類型的鋰離子電池。放電終端電壓通常 設(shè)為3.0 V。在特殊情況下，電池可能深度放電至遠低于3.0 V 的電壓。放電終端電壓可以在0 V至5 V范圍內(nèi)設(shè)置，該范 圍囊括了幾乎全部的鋰離子電池工作條件。 檢測電池電壓由AD8275(G = 0.2差動放大器)和 AD8276(單位 增益差動放大器)進行處理這兩個放大器在平衡電路內(nèi)連 接，提供總增益為0.2的差分輸出以及1.8 V輸出共模電壓。 如圖4所示，兩個1 k電阻與AD8275輸入串聯(lián)連接，用作限 流保護電阻。200 電阻補償由于1 k串聯(lián)電阻導(dǎo)致的增益 下降，并將電路增益恢復(fù)至0.2。 利用以下公式： VOUT+ 和 VOUT?最終電壓為： 對于0 V至5 V電池電壓范圍，VOUT+和VOUT?分別在1.8 V至2.3 V 以及2.3 V至1.8 V范圍內(nèi)變化。差分輸出電壓(VOUT+ ? VOUT?) 為0 V至1 V。這些范圍符合ADuCM360的共模和差分輸入電 壓要求。 ADuCM360用于電壓采集的配置如下：AIN3和AIN2上差 分輸入、單極性、禁用緩沖器的單位增益，以及內(nèi)部基準(zhǔn) 電壓源。 電流調(diào)理電路 電池電流通過與電池高端串聯(lián)的0.02 電阻，在輸入/輸出 板上測量。假設(shè)測試期間的最大電流為2 A，則電阻上的最 大差分電壓為±40 mV，共模電壓等于電池電壓(可能高 于4.2 V)。 AD8237 是一款微功耗、零漂移、軌到軌儀表放大器。簡化 框圖如圖5所示。AD8237采用間接電流反饋架構(gòu)，以實現(xiàn) 真正的軌到軌能力。共模輸入電壓可能等于或略超過供電 軌電壓。 圖5. AD8237原理示意圖 AD8237電路增益以RF1與RG1的比例設(shè)為10.09 (G = 1 +RF1 / RG1)。RF2和RG2電阻消除輸入偏置電流產(chǎn)生的誤差。 ±40 mV電流測量信號轉(zhuǎn)換至±400 mV，基準(zhǔn)電壓為 AVDD_REG = 1.8 V。 放大和電平轉(zhuǎn)換電流檢測信號驅(qū)動ADuCM360的AIN5和 AIN4差分輸入，該器件配置為雙極性輸入，增益為2，緩 沖器使能，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源使能。ADuCM360內(nèi)部ADC輸 入端的差分電壓為±800 mV。輸入引腳上的絕對電壓均為 1.0 V至2.6 V。 使用ADuCM360的兩個內(nèi)部ADC，同時對電流和電壓信息 進行采樣。 差分和共模RFI以及噪聲濾波器分別位于AD8275、AD8237 和ADuCM360之前。 電池溫度調(diào)理電路 電池溫度采用位于電池包裝附近或內(nèi)部的10 k熱敏電阻測 量。熱敏電阻值通過采用已知電流驅(qū)動該熱敏電阻，并測 量其上的電壓而確定。 如圖6所示，ADuCM360的集成電流源(I_EXT)通過串聯(lián)網(wǎng) 絡(luò)驅(qū)動10 k熱敏電阻，該串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包含一個2.2 k精密電 流檢測電阻、一個肖特基二極管(用于反向電壓保護)、兩 個1 k限流電阻以及一個10 k偏置電壓發(fā)生器電阻。 圖6. 電池溫度調(diào)理電路 串聯(lián)電路的最大壓降為： 總壓降必須低于(AVDD ? 0.85 V)。激勵電流限幅為： 因此，該電路最大允許激勵電流為33.3 A。激勵電流設(shè)為 10 A，因此10 k電阻上的電壓低于0.5 V。ADuCM360內(nèi) 部PGA設(shè)為增益2，ADuCM360內(nèi)部緩沖器使能。 溫度輸入端的偏置電壓為10 A × 10 k = 0.1 V，滿足內(nèi)部 緩沖器使能時ADuCM360的共模輸入電壓要求。 激勵電流基準(zhǔn)通道和熱敏電阻電壓通道同時采樣，以便消 除任何共模誤差源，比如激勵電流源或電源中的偏移。 基準(zhǔn)通道的溫度采集配置為：差分輸入、單極性、增益 = 32、 緩沖器使能、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。 熱敏電阻通道的配置為：差分輸入、單極性、增益 = 2、緩 沖器使能、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。 基板(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)描述 I2C接口擴展 基板提供輸入/輸出板和MCU板之間的連接。用戶可以通 過不同的I2C DEV_ID訪問特定輸入/輸出板上的ADP5065和 ADG715。圖7中的邏輯采用ADuCM360的3位通用輸入/輸 出(GPIO)將SCLK信號路由至適當(dāng)?shù)妮斎?輸出板。可以增 加更多通道；但是，更多的通道需要更高的ADC采樣速 率、更大的MCU RAM尺寸、更快的放電電壓刷新速率，以 及更高的上級處理器通信帶寬。 圖7. I2C接口擴展電路 電池通道數(shù)可以通過增加更多EVAL-CN0352-EB1Z系統(tǒng)擴 展，它們共享一個RS485總線，連接PC。這種情況下，每 一個模塊都必須具有范圍為1至255的唯一ID。ID0保留。 CN-0352評估軟件掃描所有ID并記錄各可用ID的ID和通道 編號。注意，RS485總線的波特率將會是使用這種方式時 通道擴展的限制因素。 電路性能測量 系統(tǒng)噪聲在電池連接器上測得，測量時將電池電壓檢測引 腳V+和V?短路(如圖3所示)，并測量ADC輸出碼在2000點 采樣間隔期間的峰峰值變化。對電流通道執(zhí)行類似的測 量。對于溫度通道而言，連接10 k固定電阻，而不是熱敏 電阻。其結(jié)果分別顯示在圖8、圖9和圖10中。 圖8. 電池連接引腳短路時的電壓噪聲測量 (140 V峰峰值電壓噪聲) 圖9. 電池連接短路時的電流噪聲測量 (140 A峰峰值電流噪聲) 圖10. 采用10 k電阻測量熱敏噪聲(0.014°C峰峰值噪聲) 典型的鋰離子電池充電和放電曲線如圖11所示。 圖11. 典型充電和放電曲線 CN0352 高性價比多通道鋰離子電池測試系統(tǒng) 圖1中的測試系統(tǒng)是一款精確、高性價比、8通道電池測試系統(tǒng)，針對單個鋰離子(Li-ion)電池，開路電壓(OCV)范圍為3.5 V至4.4 V。 ? ? ? 圖1.高性價比多通道鋰離子電池測試系統(tǒng) 對鋰離子(Li-ion)電池的需求無論在低功耗或是高功耗應(yīng)用中都十分巨大，比如筆記本電腦、手機、便攜式無線終端，以及混合動力汽車/全電動汽車(HEV/EV)。因此，鋰離子電池的測試系統(tǒng)要求精確可靠。 圖1中的電池測試系統(tǒng)由多個處理充電和放電過程的輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)、一個用于電池數(shù)據(jù)采集、測試、監(jiān)控和溫度管理的MCU板(EVAL- CN0352-EB1Z_MCU)，以及一個提供MCU板與多個輸入/輸出板之間信號互連的基板(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)組成。 該電路采用ADP5065快速充電電池管理器，具有靈活、高效、高穩(wěn)定性充電控制等特性，相比傳統(tǒng)分立式解決方案，該器件成本低、印刷電路板(PCB)占位面積小且易于使用。 由ADuCM360精密模擬微控制器提供高度集成式精密數(shù)據(jù)采集和處理。ADuCM360可以獲取電池電壓、電流和溫度。高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和片內(nèi)微控制器支持完全獨立的充電和放電過程。 全差分式模擬前端具有高CMRR和出色的共模和接地噪聲（充電和放電周期產(chǎn)生的大電流所導(dǎo)致）抑制能力。 通道數(shù)可以輕松擴充，進一步縮短每個電池的測試時間并降低成本。 CN0352 CN0352

• 可擴展的8通道鋰離子電池測試儀
• 集成快速充電/放電電池管理
• 針對數(shù)據(jù)采集與控制應(yīng)用的精密模擬微控制器

(analog)