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引言

電池測試設備用于在向客戶發貨之前驗證電池組的功能和性能。本應用簡介概述了電池測試儀在展示如何使穩壓誤差達到理想水平時執行的三項主要功能測試。

電池化成和分容

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。電池供應商還使用這種方法對電池單元進行分容，這是根據目標規格將電池分成不同性能組的過程。如需更深入地了解電池初始化電路，請參閱雙向電池初始化系統電源板參考設計。

環路和特性測試

環路和特性測試是指通過重復充電和放電序列來循環運行電池或電池組。這驗證了電池的特征壽命和可靠性參數，以確保它們處于規定的容差范圍內。

功能測試

功能測試的作用是在向客戶發貨前驗證電池組是否正常運行。這可以確保每個電池單元和電池組正常工作。

放大器在電池測試設備中的用法

在典型系統中，降壓轉換器用于為電池充電提供電源，升壓轉換器用于電池放電。在反饋環路中，使用傳統運算放大器（運算放大器）和儀表放大器 (INA) 來控制電壓和電流的充電和放電。

為了給電池充電，系統會啟用降壓轉換器，而第一級電壓運算放大器和電流感測 INA 則用于測量電池電壓以及電池單元或電池組的充電電流。電流感測運算放大器和感測電阻之間的開關會使電流感測運算放大器的輸入為正，無論電流流經感測電阻的方向如何。這些經調節的信號分別用作電壓回路或電流回路的第二級誤差運算放大器的輸入。

每個誤差運算放大器的增益輸出用作第三級緩沖運算放大器的輸入。緩沖運算放大器的輸出饋送到降壓轉換器的反饋引腳中，以控制輸出電壓或電流。根據輸出電流要求，可以通過多種方式來實現降壓/升壓功能；不過有兩種方法最為常見。

如需滿足更高電流要求，可以使用集成式充電控制器和外部 FET。但是，對于成本敏感型系統中常見的低電流要求，可以采用分立方式實現此功能，如圖 1-2 所示。設計工程師可調整誤差運算放大器正輸入引腳上的 V_{V_ref} 和 V_{I_ref}，以將降壓轉換器的目標輸出電壓和電流調整到理想值。

在典型的電池充電應用中，電流環路誤差運算放大器的輸出電壓開始為高電平，使降壓轉換器進入恒流輸出模式。

在下一個相位中，電壓環路誤差運算放大器的輸出電壓為高電平，使降壓轉換器進入恒壓輸出模式。電池放電時，系統會啟用升壓轉換器。運算放大器用于控制電池放電電流和電壓，其工作原理與電池充電時相同。升壓轉換器將電池電壓提升至 V_DC，該電壓通常為 12 V。

系統和放大器要求

典型的系統要求：

• 穩流誤差 ERR_Iout = 0.1%
• 穩壓誤差 ERR_Vout = 0.5%

為了滿足以上要求，需要使用一個具有低失調電壓 (V_OS)、低 V_OS 溫度漂移和高 CMRR 的運算放大器，如 TLV07。

運算放大器與功率級形成一個閉環，誤差運算放大器反相輸入端上的電壓將非常接近基準電壓 V_{V_ref} 和 V_{I_ref}，從而最大限度地減小了大環路增益產生的誤差。

主要誤差來自電壓和電流感測放大器，因此選擇高精密放大器非常重要。

例如，如果所需的穩定輸出電流目標 I_SET 為 10A，并且電流感測電阻器 R_SENSE 為 20mΩ，則放大器的輸入誤差將為：

如果所需的穩定輸出電壓設置為 V_SET 4.2 V，則放大器的輸入誤差將為：

假設溫度從 25°C 升至 85°C 且電池電壓為 4V，我們可以輕松計算低失調電壓和低溫漂運算放大器之一 (TLV07) 所產生的實際誤差。

使用計算得出的上述數值，很明顯類似于 TLV07 的精密運算放大器是滿足系統輸出電流和電壓誤差要求的理想運算放大器。

在下一個示例中，我們使用一個集成了所有反饋電阻的 INA，該 INA 提供 V_{OS_max} = 150μV 和 dV_OS/dT_max = 0.5μV/°C，非常適合在采用簡化設計的系統中執行電流分流放大器功能。

如果系統需要更高的性能規格，則電流和電壓誤差可分別更改為 0.05% 和 0.1%。在這種情況下，可以使用零漂移 INA188 等精密 INA。假設條件與上述示例相同，溫升為 60°C，VBAT 為 4V，那么 INA188 的實際誤差為：V_{I_ERR_RTI}= 67μV 并且 V_{V_ERR_RTI}< = 4.2mV

每一級中的放大器基準電路

查看圖 1-3 中顯示的電壓和電流感測參考電路，I+ 和 I- 貢獻是由電流感測電阻器產生的。B+ 和 B- 分量來自電池的正負端子。由于實際電池電壓可能高于 5V，典型的運算放大器電源為 12V。TLV07、INA188 和 INA125 的最大電源電壓為 36V (±18V)，滿足系統要求。

在充電和放電周期中電池電流會接近于零，因此在第一級電流感測運算放大器中實現雙極電源可避免削減電流感測信號。系統會分別使用 R12、C3 和 C4 以及 R6、C1 和 C2 對誤差運算放大器的每一級應用 III 型補償。為確保環路穩定性，用戶應根據實際電源設計對這些值進行微調。