資料介紹
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
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