電路功能與優(yōu)勢圖1中的測試系統(tǒng)是一款精確、高性價(jià)比、8通道電池測試系統(tǒng)，針對單個(gè)鋰離子(Li-ion)電池，開路電壓(OCV)范圍為3.5V至4.4V。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(jī)、便攜式無線終端，以及混合動(dòng)力汽車/全電動(dòng)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(gè)處理充電和放電過程的輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)、一個(gè)用于電池?cái)?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(gè)提供MCU板與多個(gè)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)和片上微控制器支持完全獨(dú)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(kuò)充，進(jìn)一步縮短每個(gè)電池的測試時(shí)間并降低成本。
圖1.高性價(jià)比多通道鋰離子電池測試系統(tǒng)圖
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）電路描述8通道電池測試系統(tǒng)(EVAL-CN0352-EB1Z)包含8個(gè)輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)和1個(gè)MCU板(EVAL-CN0352-EB1Z_MCU)，插在1個(gè)基板上(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)。圖2所示電路為輸入/輸出板。輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)描述使用ADp5065進(jìn)行電池充電控制ADp5065處理單個(gè)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(shí)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(fù)載(E-Load)電路圖2中虛線框內(nèi)的電子負(fù)載(E-load)電路提供了可編程恒流負(fù)載，采用AD8601精密CMOS運(yùn)算放大器、4個(gè)1W、1%功率電阻，以及2個(gè)功率SIR464MOSFET。E-load電流目前由AD8601同相輸入端上的控制電壓精確控制?？刂齐妷海∕CU板上的V_DAC）范圍為0V至1V，產(chǎn)生的負(fù)載電流為0A至2A。鋰離子電池的典型放電終端電壓為3.0V。此E-load允許的輸出電壓最小值為：2A×1Ω=2V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750mA時(shí)，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(gè)器件并聯(lián)使用，并通過圖2中顯示為E-電路的單個(gè)環(huán)路控制。這是擴(kuò)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(shí)候都只有一個(gè)輸入/輸出板的ADG715開關(guān)閉合。0.1μF電容在兩次采樣之間由DAC通過1kΩ電阻充電，在兩次保持之間通過10MΩ電阻（1kΩ接地）放電。充電和放電的帶寬分別約為1.6kHz和0.16Hz。對0.1μF電容上的電壓放電時(shí)需要使用10MΩ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(gè)N通道系統(tǒng)的采樣和保持時(shí)間分別為TS和TH，則必須滿足下列條件：TH=TS(N−1)。因此，更多的通道需要更長的保持時(shí)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=1ms，TH=7ms，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(jìn)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(shí)也為了確保安全性。使用10kΩ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(gè)10kΩ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?yàn)榉烹姇r(shí)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(shí)MCU板通過I2C總線對其監(jiān)控。輸入/輸出板上有兩個(gè)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(dòng)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(gè)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0.02Ω、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?yàn)槌潆姾头烹娖陂g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(gè)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(gè)片上集成的24位Σ-Δ型ADC進(jìn)行數(shù)字化。
圖4.EVAL-CN0352-EB1Z_MCU，利用ADuCM360進(jìn)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3.5V至4.42V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3.0V。在特殊情況下，電池可能深度放電至遠(yuǎn)低于3.0V的電壓。放電終端電壓可以在0V至5V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(dòng)放大器）和AD8276（單位增益差動(dòng)放大器）進(jìn)行處理這兩個(gè)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1.8V輸出共模電壓。如圖4所示，兩個(gè)1kΩ電阻與AD8275輸入串聯(lián)連接，用作限流保護(hù)電阻。200Ω電阻補(bǔ)償由于1kΩ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：對于0V至5V電池電壓范圍，VOUT+和VOUT−分別在1.8V至2.3V以及2.3V至1.8V范圍內(nèi)變化。差分輸出電壓（VOUT+−VOUT−）為0V至1V。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0.02Ω電阻，在輸入/輸出板上測量。假設(shè)測試期間的最大電流為2A，則電阻上的最大差分電壓為±40mV，共模電壓等于電池電壓（可能高于4.2V）。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(shí)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。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。±40mV電流測量信號轉(zhuǎn)換至±400mV，基準(zhǔn)電壓為AVDD_REG=1.8V。放大和電平轉(zhuǎn)換電流檢測信號驅(qū)動(dòng)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±800mV。輸入引腳上的絕對電壓均為1.0V至2.6V。使用ADuCM360的兩個(gè)內(nèi)部ADC，同時(shí)對電流和電壓信息進(jìn)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。
圖5.AD8237原理示意圖電池溫度調(diào)理電路電池溫度采用位于電池包裝附近或內(nèi)部的10kΩ熱敏電阻測量。熱敏電阻值通過采用已知電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)10kΩ熱敏電阻，該串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)2.2kΩ精密電流檢測電阻、一個(gè)肖特基二極管（用于反向電壓保護(hù)）、兩個(gè)1kΩ限流電阻以及一個(gè)10kΩ偏置電壓發(fā)生器電阻。串聯(lián)電路的最大壓降為：VMAX=IEXT×(1kΩ+2.2kΩ+1kΩ+50kΩ+10kΩ)+VF=IEXT×64.2kΩ+0.31V總壓降必須低于(AVDD−0.85V)。激勵(lì)電流限幅為：IEXT<<(AVDD−0.85V−0.31V)/64.2kΩ因此，該電路最大允許激勵(lì)電流為33.3μA。激勵(lì)電流設(shè)為10μA，因此10kΩ電阻上的電壓低于0.5V。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10μA×10kΩ=0.1V，滿足內(nèi)部緩沖器使能時(shí)ADuCM360的共模輸入電壓要求。激勵(lì)電流基準(zhǔn)通道和熱敏電阻電壓通道同時(shí)采樣，以便消除任何共模誤差源，比如激勵(lì)電流源或電源中的偏移?；鶞?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。
圖6.電池溫度調(diào)理電路基板(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)描述I2C接口擴(kuò)展
圖7.I2C接口擴(kuò)展電路基板提供輸入/輸出板和MCU板之間的連接。用戶可以通過不同的I2CDEV_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?？梢栽黾痈嗤ǖ?；但是，更多的通道需要更高的ADC采樣速率、更大的MCURAM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。電池通道數(shù)可以通過增加更多EVAL-CN0352-EB1Z系統(tǒng)擴(kuò)展，它們共享一個(gè)RS485總線，連接pC。這種情況下，每一個(gè)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(huì)是使用這種方式時(shí)通道擴(kuò)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(shí)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(diǎn)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10kΩ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(shí)的電壓噪聲測量（140μV峰峰值電壓噪聲）
圖9.電池連接短路時(shí)的電流噪聲測量（140μA峰峰值電流噪聲）圖10.采用10kΩ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常見變化ADp5061和ADp5062均為線性電池充電器，具有充電電流高達(dá)2A的管理功能。ADp5062采用4mm×4mmLFCSp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(shí)鐘可以比I2C總線的400kHz上限高很多。因此，通道開關(guān)時(shí)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CN-0352設(shè)計(jì)支持包(www.analog.com/CN0352-DesignSupport)。電路評估與測試警告此評估系統(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(shí)可能使其受損、著火或爆炸。操作時(shí)，采取一切必要措施保護(hù)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)?5V、3A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115,200bps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(qiáng)烈建議使用集成了保護(hù)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5V電源關(guān)斷的情況下，將5V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(xì)驗(yàn)證風(fēng)扇的引腳連接。pWM控制風(fēng)扇的典型電源為12V。VFAN可以接受的范圍為0V至15V。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5V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(xì)信息。
圖14.連接8個(gè)電池的完整電池測試系統(tǒng)