,,

類型分類：: 科普知識

數據分類：: 測試設備

TI高性能充放電方案在電池測試設備(Battery Test System)中的應用

發布日期：2022-10-09 點擊率：49

Other Parts Discussed in Post: LM5170

電池測試設備是電池制造行業的必需設備和基礎設施。隨著電動汽車、便攜式消費電子等應用對鋰電池的需求不斷增加，鋰電池測試設備的需求也一路上行。

電池測試設備用于在向客戶發貨之前驗證電池的功能和性能。在組裝電池單元或電池組之后，每個單元必須至少經歷一個完全受控的充電或放電循環，以初始化該設備并將其轉換為正常工作的儲電設備。電池測試設備的主要功能是對電池容量、效率、倍率、高溫性能、低溫性能、存儲性能及內阻等指標進行測試，對于電池測試設備的系統設計最重要的三個指標是充放電精度，成本和轉換效率。

對于電池測試設備的核心功能電池充放電，市面上流行的主要有兩種解決方案：使用DSP實現的數字方案和使用分立器件搭建的模擬方案。無論是DSP方案還是分立方案都有各自的缺點，DSP方案的軟件開發難度大，分立方案硬件開發難度大，導致兩種方案設計周期都比較長，總體開發成本比較高。

為了幫助電池測試設備廠商縮短研發時間，能將產品快速投入市場，TI近期推出兩套高性能，高集成度，低成本的電池充放電解決方案，分別針對中大功率(10A～200A)應用和小功率(3A～6A)應用。

首先是針對中大功率應用，TI的參考設計為 TIDA-01041x 系列。TIDA-01041x系列針對不同電流需求提供3套方案，分別為TIDA-01040(0~50A), TIDA-01041(0~100A), TIDA-01042(0~200A), 所有方案都保證<=0.02%的全量程充放電電流精度和<=0.01%的充放電電壓精度。

如下圖所示，TIDA-01041x 整個系統主要由四部分組成：核心器件LM5170 (藍色區域)負責功率升降壓部分，主要功能包括多相位處理，方向切換，峰值電流控制，防電流倒灌等；INA188儀表放大器負責高邊恒流檢測；LM6142負責電壓放大檢測；ADS131A04 (24-bit高精度ADC) 和DAC80004 (16-bit高精度DAC) 負責電流電壓的實時讀取和實時設置，可以通過TI提供的上位機圖形界面讀取信息及進行操作。

LM5170是TI的明星產品，同時也是整個系統的核心。LM5170內部集成雙路5A MOSFET半橋驅動器可以提供高達100A的持續輸出電流。同時單顆LM5170可以支持雙相交錯控制，進而可以有效降低電感感值，電容容值和輸入輸出電壓紋波。對于要求高于100A的應用，LM5170支持多片錯相并聯來提供更大電流能力，下圖展示了幾種多片錯相并聯的方案。

此外，相對于DSP方案，LM5170由于同時支持峰值電流檢測和平均電流檢測，響應速度和建立時間要快很多。下圖波形是基于TIDA-01041(100A)評估板的-100A到+100A電流跳變測試（該波形為其中一個相位 -25A ~ +25A， 4個相位電流總和為-100A ~ +100A)。藍色信號為方向控制DIR引腳，紅色為LM5170的給定電流參考信號ISETA，黃色為輸出電壓Vout，綠色為Iout電流。從下圖我們可以看到，-100A到+100A 電流跳變條件下LM5170的響應時間僅僅為400μs，遠遠低于DSP方案在同樣測試條件下的響應時間（通常高于5ms）。

TI針對于小功率(<=6A) 電池檢測應用推出了高精度低成本方案PMP15043。該方案主要有3個部分構成，TPS61178升壓DC/DC負責放電部分， TPS54821降壓DC/DC負責充電部分，電流檢測由INA188儀表放大器實現，電壓檢測則可由低成本運放TLV07來實現。

目前，市面上小功率 (<=6A) 電池充放電方案目前大多是由分立元器件搭建，但是隨著市場對產品的精度，可靠性的要求越來越高，分立方案越來越滿足不了市場的需求。TI針對于小功率電池檢測設備推出了高精度低成本方案PMP15043，很好的解決了這些問題。

如下圖所示，PMP15043方案主要有幾個部分構成：TPS61178升壓DC/DC負責放電部分，TPS54821降壓DC/DC負責充電部分，電流檢測由INA188儀表放大器實現，電壓檢測則可由低成本運放TLV07來實現。其中TPS61178和TPS54821內部集成了功率MOSFET及驅動電路，極大的簡化了功率部分的設計，可以有效的減少客戶在分立方案上的調試時間。TPS61178和TPS54821都是市面上非常通用的Boost和Buck芯片，整體方案在成本上也相當有競爭力。