作者：Shaury Anand
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鋰離子電池可用於小型電子設備，或是電動車和電網等大型應用，因為它們滿足了各種尺寸、電壓和外型。但這種應用廣泛度意味著電池製造商必須購買和維護每種電池類型的測試解決方案，造成鉅額的相關資本投資，佔了電池最終成本高達20%。
顯然，需要具有成本效益、多範圍測試解決方案，來處理更廣泛的電池電壓、容量和尺寸。本文描述了數位控制環路電池測試器的優點，並涵蓋一個靈活且具有成本效益的電池測試設計範例。有關電池測試設計挑戰的概述，請參考《設計準確並多功能鋰離子電池測試解決方案》白皮書。
數位控制環路的好處
電池測試器的主要功能是控制和監控電池充電和放電。圖1為開關式電池測試器的功能原理圖，可在類比或數位中執行控制部分。在類比執行中，脈衝寬度調變（PWM）控制器可調節流經高壓和低壓電源的輸出電壓或電流。保護電路整合在PWM控制器中。恆流和恆壓反饋環路驅動PWM控制器的參考輸入，精確控制輸出電流和電壓。連接到反饋控制器的16位元數位類比轉換器（DAC）設定輸出電流和電壓。最後，由精密的16位元類比數位轉換器（ADC）監控電池電壓和電流。
圖1： 電池測試器原理圖
在數位執行中，圖1中紅框內為微控制器（MCU）執行的所有功能。 透過C2000 
即時控制 MCU，可產生16位元PWM並使用其比較器執行保護演算法。MCU利用ADC輸出數據來執行電流和電壓控制器。由於控制器屬於數位領域，因此此架構不需要精密的16位元DAC。12位元單晶片的ADC可達到低於±0.05%的準確度，足以滿足成本優化的電池測試系統的需求。但是，要達到優於±0.01%的控制準確度，需要外部16位元反饋精準度。數位解決方案可輕鬆實現準確度和彈性，效能和成本差異僅取決於在反饋中使用外部16位元ADC或是內部12位元ADC。有效的利用MCU，可節省30%以上的材料費用。
一個參考設計符合多種電壓、容量和大小
當今的測試設備是針對特定的電池類型所設計。較大的電池需要較高的電流量，因此需要具備多通道並行連接的電池測試器。然而，如果電池製造商生產的小型電池對電流要求較低，通常會採用針對較低電流來優化的測試器，而高電流電池測試器則保持閑置狀態。擁有能夠同時測試小型和大型電池的測試器可減少這種冗餘，並有助於降低電池生產的整體成本。數位控制環路提供了在軟體中測試小型和大型電池的彈性，類比解決方案則需要更改硬體。
隨著電池技術的改善，電池生產商要求新的功能和測試方法。具有控制環路的軟體可讓測試設備製造商更容易提供其他的測試功能。
設計多範圍電池測試器
成本優化的電池測試系統的數位控制參考設計透過並行連接多個獨立控制的低電流電池測試器通道，滿足不同層級的高電流電池測試器需求。如圖2 所示，該參考設計透過簡單的軟體變更，便能改為多相操作。在多相配置中，每個相位皆使用並行連接的單獨恆流迴圈。將單個恆壓環路嵌套到所有恆電流環路中，以確保恆壓模式下的電流平衡。因此，相同的測試環境可提供多種輸出電流範圍。
圖2：多相配置的反饋控制器
圖3為參考設計的原理圖。TMS320F280049 MCU可控制多達8個獨立頻道，為同步降壓功率級產生高解析度16位元PWM，並執行電流和電壓控制環路的次常規。INA821儀器放大器用來感測電流，TLV07運算放大器用來感測電壓。電流和電壓訊號透過外部ADS131M08 ADC和C2000單晶片ADC轉換為數位數據。在反饋中擁有16位元ADC比±0.01%更能實現控制準確度。對於成本優化的系統，可以從反饋中移除ADS131M08，而使用單晶片12位元 ADC達到低於±0.05%的控制準確度。
多環反饋控制器實現了恆流到恆壓平穩的過渡，其中內環始終處於恆流模式。偵測到恒壓模式時，恒壓環路輸出會連接到恆流環路。
圖3：數位控制環電池測試器
結論
數位架構無需在電池測試設備上進行大量資本投資，即可解決高準確度、高電流、速度和彈性問題。無需為了測試不同級別的電流而投資多個架構，在測試低電流應用時，高電流設備也不再處於閑置狀態。
TI數位控制參考設計透過低電流電池測試設備，可節省整體系統成本，並可測試多種電流範圍的能力和彈性而無需犧牲準確度。
