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引言

电池测试设备用于在向客户发货之前验证电池组的功能和性能。本应用简介概述了电池测试仪在展示如何使稳压误差达到理想水平时执行的三项主要功能测试。

图 1-1 传统电池测试
设备方框图

电池化成和分容

在组装电池单元或电池组之后，每个单元必须至少经历一个完全受控的充电或放电循环，以初始化该设备并将其转换为正常工作的储电设备。电池供应商还使用这种方法对电池单元进行分容，这是根据目标规格将电池分成不同性能组的过程。如需更深入地了解电池初始化电路，请参阅双向电池初始化系统电源板参考设计。

环路和特性测试

环路和特性测试是指通过重复充电和放电序列来循环运行电池或电池组。这验证了电池的特征寿命和可靠性参数，以确保它们处于规定的容差范围内。

功能测试

功能测试的作用是在向客户发货前验证电池组是否正常运行。这可以确保每个电池单元和电池组正常工作。

放大器在电池测试设备中的用法

在典型系统中，降压转换器用于为电池充电提供电源，升压转换器用于电池放电。在反馈环路中，使用传统运算放大器（运算放大器）和仪表放大器 (INA) 来控制电压和电流的充电和放电。

为了给电池充电，系统会启用降压转换器，而第一级电压运算放大器和电流感测 INA 则用于测量电池电压以及电池单元或电池组的充电电流。电流感测运算放大器和感测电阻之间的开关会使电流感测运算放大器的输入为正，无论电流流经感测电阻的方向如何。这些经调节的信号分别用作电压回路或电流回路的第二级误差运算放大器的输入。

每个误差运算放大器的增益输出用作第三级缓冲运算放大器的输入。缓冲运算放大器的输出馈送到降压转换器的反馈引脚中，以控制输出电压或电流。根据输出电流要求，可以通过多种方式来实现降压/升压功能；不过有两种方法最为常见。

如需满足更高电流要求，可以使用集成式充电控制器和外部 FET。但是，对于成本敏感型系统中常见的低电流要求，可以采用分立方式实现此功能，如图 1-2 所示。设计工程师可调整误差运算放大器正输入引脚上的 V_{V_ref} 和 V_{I_ref}，以将降压转换器的目标输出电压和电流调整到理想值。

在典型的电池充电应用中，电流环路误差运算放大器的输出电压开始为高电平，使降压转换器进入恒流输出模式。

在下一个相位中，电压环路误差运算放大器的输出电压为高电平，使降压转换器进入恒压输出模式。电池放电时，系统会启用升压转换器。运算放大器用于控制电池放电电流和电压，其工作原理与电池充电时相同。升压转换器将电池电压提升至 V_DC，该电压通常为 12 V。

系统和放大器要求

典型的系统要求：

• 稳流误差 ERR_Iout = 0.1%
• 稳压误差 ERR_Vout = 0.5%

为了满足以上要求，需要使用一个具有低失调电压 (V_OS)、低 V_OS 温度漂移和高 CMRR 的运算放大器，如 TLV07。

运算放大器与功率级形成一个闭环，误差运算放大器反相输入端上的电压将非常接近基准电压 V_{V_ref} 和 V_{I_ref}，从而最大限度地减小了大环路增益产生的误差。

主要误差来自电压和电流感测放大器，因此选择高精密放大器非常重要。

例如，如果所需的稳定输出电流目标 I_SET 为 10A，并且电流感测电阻器 R_SENSE 为 20mΩ，则放大器的输入误差将为：

Equation1.

Equation2.

如果所需的稳定输出电压设置为 V_SET 4.2 V，则放大器的输入误差将为：

假设温度从 25°C 升至 85°C 且电池电压为 4V，我们可以轻松计算低失调电压和低温漂运算放大器之一 (TLV07) 所产生的实际误差。

Equation3. INA125

使用计算得出的上述数值，很明显类似于 TLV07 的精密运算放大器是满足系统输出电流和电压误差要求的理想运算放大器。

在下一个示例中，我们使用一个集成了所有反馈电阻的 INA，该 INA 提供 V_{OS_max} = 150µV 和 dV_OS/dT_max = 0.5µV/°C，非常适合在采用简化设计的系统中执行电流分流放大器功能。

如果系统需要更高的性能规格，则电流和电压误差可分别更改为 0.05% 和 0.1%。在这种情况下，可以使用零漂移 INA188 等精密 INA。假设条件与上述示例相同，温升为 60°C，VBAT 为 4V，那么 INA188 的实际误差为：V_{I_ERR_RTI}= 67µV 并且 V_{V_ERR_RTI}< = 4.2mV

每一级中的放大器基准电路

查看图 1-3 中显示的电压和电流感测参考电路，I+ 和 I- 贡献是由电流感测电阻器产生的。B+ 和 B- 分量来自电池的正负端子。由于实际电池电压可能高于 5V，典型的运算放大器电源为 12V。TLV07、INA188 和 INA125 的最大电源电压为 36V (±18V)，满足系统要求。

在充电和放电周期中电池电流会接近于零，因此在第一级电流感测运算放大器中实现双极电源可避免削减电流感测信号。系统会分别使用 R12、C3 和 C4 以及 R6、C1 和 C2 对误差运算放大器的每一级应用 III 型补偿。为确保环路稳定性，用户应根据实际电源设计对这些值进行微调。