電池測試設備，是鋰離子電池生產(chǎn)線后處理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對于鋰離子電池的質(zhì)量至關(guān)重要。電池測試設備的核心功能是對鋰離子電池進行高精度的恒流或恒壓充放電，傳統(tǒng)的控制方法以使用分立器件搭建的模擬控制方案為主。相比于傳統(tǒng)的模擬控制方案，采用 TI 的 C2000 為核心實現(xiàn)的數(shù)字控制方案，由于其低成本、高精度、更靈活、保密性較好等優(yōu)點，將成為未來電池測試設備主流的發(fā)展方向。本文中，將詳細介紹如何通過 TI 的 C2000 數(shù)字控制方案，有效降低系統(tǒng)成本，并保證極高的電流、電壓控制精度。

1. 低成本

采用 TI 的 C2000 數(shù)字控制方案的典型結(jié)構(gòu)：電流/電壓放大器對電池充放電的電流/電壓進行采樣，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并送入 C2000 中，C2000 根據(jù)恒流或恒壓指令與采樣信號進行環(huán)路計算，輸出一定占空比的 PWM 從而調(diào)節(jié) MOSFET 的開關(guān)，最終使得 buck/boost 變換器按照指令通過恒流或恒壓的方式對鋰電池進行充放電。

相比于模擬方案，由于電壓、電流指令和環(huán)路控制都在 C2000 中產(chǎn)生和完成，省去了高分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC 和誤差放大器，有效地降低了系統(tǒng)成本。

TMS320F280049 是具有 100MHz 主頻、256KB 閃存的 C2000 32 位 MCU，通過高分辨率的 16bit PWM，最多可以控制 8 個獨立通道的同步 buck/boost 變換器。采用 TMS320F280049 的數(shù)字控制方案，比傳統(tǒng)的模擬控制方案可以節(jié)省 30% 以上的 BOM 成本。

此外，由于鋰離子電池在 3C 產(chǎn)品、電動汽車、儲能等諸多領域都有廣泛應用，各類鋰離子電池的電流往往差別很大。這導致了電池測試設備若采用模擬控制，往往需要根據(jù)電流大小選取不同的硬件方案，增加了研發(fā)周期與設備成本。如果采用 C2000 的數(shù)字控制方案，則可以在不改變硬件的前提下，在小電流或大電流模式間自由切換：在小電流時，8 各通道可以分別獨立運行；在大電流時，則將多個通道并聯(lián)運行，以輸出更大的電流。

在多通道并聯(lián)運行時，每個通道都將采用同一個恒壓環(huán)路，恒流環(huán)路則各自獨立，只需將輸出并聯(lián)后就可以實現(xiàn)更大的輸出電流范圍。因此，相比于模擬控制，采用 C2000 的數(shù)字控制方案，可以在不改變硬件的條件下適應更廣泛的測試場景，大大減少了設備成本。

2. 高精度

通過校準，電池測試設備往往可以除去大部分初始系統(tǒng)誤差。剩余難以被校準的誤差來源主要包括：電流檢測電阻的溫漂，電流、電壓檢測放大器的失調(diào)與增益溫漂、輸入共模電壓變化帶來的失調(diào)，ADC 的非線性度，基準電壓源的溫漂。在本文中，按照 ±5°C 的溫度變化范圍計算誤差值。

電流檢測電阻

電流檢測電阻的溫漂是總系統(tǒng)誤差的重要來源，對于 CC 控制，需要一個幾毫歐并且低溫度系數(shù)的高精度電流檢測電阻。本文采用高精密、電流感應金屬條 SMD 功率電阻器，檢測電阻的阻值為 5m? ，溫漂值為 10ppm。那么，由于電流檢測電阻的溫漂造成的誤差為 50ppm。

電流檢測放大器

為了減小大電流造成的溫升和功率損耗，電流檢測電阻的阻值一般較小，因此電流檢測放大器的輸入差分信號一般不超過幾十毫伏，往往選擇儀表放大器進行信號調(diào)理。儀表放大器的誤差主要來源于以下兩個方面：環(huán)境溫度改變時，失調(diào)電壓和增益的漂移；電池電壓改變時，由于輸入共模電壓變化造成的失調(diào)電壓。因此，在選擇儀表放大器時，應該主要關(guān)注失調(diào)電壓漂移、增益漂移、CMRR 等參數(shù)。下表為 TI 主推的幾款應用于電池測試設備的儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù)：

INA821 作為一款高精密、低漂移的儀表放大器，失調(diào)電壓漂移最大值為 0.4μV/°C，那么 ±5°C 溫度偏移將會產(chǎn)生 2μV 失調(diào)電壓，即 40ppm 滿量程誤差；增益漂移為 5ppm/°C，那么 ±5°C 溫度偏移會產(chǎn)生 25ppm 誤差；共模電壓抑制比為 140dB，那么輸入共模電壓范圍在 0~5V 變化時，將產(chǎn)生 0.5μV 失調(diào)電壓。在 10A 充電電流下，滿量程采樣電阻的電壓信號為 50mV，即輸入共模電壓變化帶來 10ppm 滿量程誤差。

電壓檢測放大器

電壓檢測放大器的誤差來源同樣主要來源于失調(diào)電壓和增益的漂移，以及輸入共模電壓變化造成的失調(diào)電壓。因此，在選擇儀表放大器時，同樣應該主要關(guān)注失調(diào)電壓漂移、增益漂移、CMRR 等參數(shù)。

TLV07 是一款成本敏感型、低噪聲、軌到軌輸出、精密運算放大器，失調(diào)電壓漂移的典型值為 0.9μV/°C，那么 ±5°C 溫度偏移將會產(chǎn)生 4.5μV 失調(diào)電壓，即 1ppm 滿量程誤差；增益漂移主要受輸入電阻與反饋電阻的漂移誤差的影響，在這里取 5ppm/°C，那么 ±5°C 溫度偏移會產(chǎn)生 25ppm 誤差。共模電壓抑制比最小值為 104dB，那么輸入共模電壓范圍在 0~5V 變化時，將產(chǎn)生 31.5μV 失調(diào)電壓，即 6ppm 滿量程誤差。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器及基準電壓源

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 的誤差主要是由于非線性度和基準電壓源的漂移造成的。ADS131M08 是 24位、32kSPS、8 通道同步采樣的 Δ-Σ 高精度 ADC，由于 ADS131M08 是差分輸入，可以有效減小由于各通道間串擾引起的誤差。從數(shù)據(jù)表中可以查到，ADS131M08 的非線性度 INL 僅為 7.5ppm 滿量程誤差。如果采用內(nèi)部基準電壓源，溫漂最大值為 20ppm/°C，那么 ±5°C 溫度偏移會產(chǎn)生 100ppm 誤差。如果采用外部基準電壓源 REF2025，溫漂最大值僅為 8ppm/°C，那么 ±5°C 溫度偏移誤差將會降至 40ppm。

誤差匯總

根據(jù)以上分析，將各誤差來源造成的誤差值匯總，即可計算得到在恒流、恒壓控制時，電池測試設備的系統(tǒng)總誤差如下圖所示?？梢钥吹?，采用 C2000 的數(shù)字控制方案，電流和電壓誤差范圍都在萬二以內(nèi)，達到了極高的控制精度。

綜上所述，在電池測試設備中采用 TI 的 C2000 數(shù)字控制方案，在降低系統(tǒng)成本的同時，可以保證極高的電流、電壓控制精度，非常適合在各類電池測試方案中的應用。

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原文標題：技術(shù)干貨 | 低成本、高精度的電池測試設備數(shù)字控制方案

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審核編輯：湯梓紅