Other Parts Discussed in Post: INA821, INA188, INA826, INA129, INA128, INA828, ADS131M08

Stanley Ho

隨著鋰電池行業的興起，電池測試設備的市場也變得龐大，其主要應用于3C電池與動力電池的化成分容。3C電池的串數少，實際使用對每串電池要求的一致性不高，而動力電池由于串數高達數百串，并且使用環境相對極端，為保證較長的使用壽命，相比3C電池在一致性上要求高的多，因此電池在分容中要求的電流精度較高，目前按照市場要求，保持0.02%的要求是電池測試設備生產商面臨的設計挑戰，為了爭取更高的市場份額，對精度以及效率，功率密度等其他性能的追求也從未停歇。需要知道的是在電池設備中，主要分為三大部分，分別為雙向AC-DC電能變換，數據處理單元，以及電池測試單元。本文主要剖析實現電池化成分容技術要點緊密相關的電池測試單元的信號鏈部分。 

信號鏈

由于電池測試設備要求輸出電壓電流精度較高，特別是動力電池測試系統，這就需要我們弄清每一級信號調理環節。典型框圖如圖1所示，由于第一級信號放大倍數在50~100范圍，分流電阻壓降較小，微伏級別的電壓變化都會造成萬分位的誤差。

圖1 電壓環與電流環

第一級信號放大

輸入偏置電壓造成的的直流誤差在設備最后校準工序中可以消除掉，但是根據溫度，輸入輸出條件而變化的誤差卻很難通過線性校準消除掉，第一級主要影響因素有：

1. 放大器的Input voltage offset drift

一般根據設備的溫升值，選取合適的取值范圍，通常應用場景如表一所示：

表1：典型應用環境

電流檢測采用儀表放大器INA821：溫漂0.4 μV/°C

可以得知最大電流時，分流電阻壓降60mV，溫漂帶來的INA821輸出漂移為0.4*50=20 μV，此時誤差為0.0333%，實際電路板的溫升低于50℃，因此INA821在實際使用中也絕對占據較好的優勢。同時也可以選型零溫漂器件如INA188。

2. 放大器的共模抑制比CMRR

在高精度的電池測試設備中通常使用具有良好噪聲環境高可靠性的高側電流檢測方法，由于共模電壓較高，需要使用共模抑制比較高的放大器。首先，共模抑制比可以表示為

A_d為共模增益，A_cm為差模增益，共模抑制比帶來的誤差可以表示為

Vin_cm輸入共模電壓，Vin_d為輸入差模電壓，共模誤差似乎是一個可以被校準的誤差，當共模電壓不變時，這的確可以被軟件校準抵消掉，而由于實際的分容電池電壓是從0V增長到滿電4.2V，此時共模電壓隨著充放電時間而變化，那么共模誤差將會成為不可校準的誤差了，此時需要選用CMRR較高的器件。在增益100倍時，根據式（1）（2）給出幾種不同器件CMRR帶來的誤差：

3. 其他因素

其他無源器件的選擇上如分流器等，也有采用溫度補償的方法可以降低溫漂帶來的誤差，這里不做贅述。

當然也有存在一些廠家通過實現多段擬合的方法盡量降低校準時的非線性誤差，但是由于批量生產時的一致性問題，這需要很大的工作量通過批量的數據校驗，找出具有普適性的溫漂多段校準折線，但是如果因為一致性的問題也容易導致出現過擬合誤差。

第二級補償器的設計

補償器中運算放大器這一級的增益10倍以內，補償器的輸出電壓在1V以上，通常運放的噪聲以及溫漂都在微伏級別，造成的誤差也只是十萬分位的差值。由于電池測試設備所需要的輸出動態響應不高，因此補償器參數的設計只需要保證良好的穩態特性即—充足的相位裕度，較大補償器的直流增益。

電流指令給定與數據采集

小電流電池測試設備只需要一兩片ADC與DAC可以解決整機的電流指令的傳輸與信息的采集，采用如圖2所示的結構，多MUX的方案可以實現主控板ADC或DAC與測試通道1:128或者1:256的用量。

圖2 MUX & ADC采樣電路

由于前面提到系統軟件校準技術，因此誤差主要來源于ADC非線性誤差INL，溫漂，以及

考慮在小電流電池測試設備中，讀取系統中所有通道的電壓電流值的時間可以為秒的量級，因此需求的采樣率不需要很快，但是為了滿足千分之一的電流精度，需要bit位12bit以上的成本敏感型ADC，如：

而大電流電池檢測設備中，目前市面上新出廠的設備可達0.02%，那么需要ADC精度較高，且每通道采樣率大于1kHz，提高系統的電壓電流值刷新率，允許雙極性差分輸入的ADC提供更寬的電流變化范圍，同時保證了從儀表放大器到ADC檢測所有信號鏈中的參考均為地。采樣速率低于100kHz時，delta-sigma的ADC較為常見使用：建議采用ADS131M08

參考文獻：

電池測試設備-參考設計及 產品

簡化電池測試設備中的電壓和電流測量