電路功能與優勢圖1中的測試系統是一款精確、高性價比、8通道電池測試系統，針對單個鋰離子(Li-ion)電池，開路電壓(OCV)范圍為3.5V至4.4V。對鋰離子(Li-ion)電池的需求無論在低功耗或是高功耗應用中都十分巨大，比如筆記本電腦、手機、便攜式無線終端，以及混合動力汽車/全電動汽車(HEV/EV)。因此，鋰離子電池的測試系統要求精確可靠。圖1中的電池測試系統由多個處理充電和放電過程的輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)、一個用于電池數據采集、測試、監控和溫度管理的MCU板(EVAL-CN0352-EB1Z_MCU)，以及一個提供MCU板與多個輸入/輸出板之間信號互連的基板(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)組成。該電路采用ADp5065快速充電電池管理器，具有靈活、高效、高穩定性充電控制等特性，相比傳統分立式解決方案，該器件成本低、印刷電路板(pCB)占位面積小且易于使用。由ADuCM360精密模擬微控制器提供高度集成式精密數據采集和處理。ADuCM360可以獲取電池電壓、電流和溫度。高精度模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)和片上微控制器支持完全獨立的充電和放電過程。全差分式模擬前端具有高CMRR和出色的共模和接地噪聲（充電和放電周期產生的大電流所導致）抑制能力。通道數可以輕松擴充，進一步縮短每個電池的測試時間并降低成本。
圖1.高性價比多通道鋰離子電池測試系統圖
圖2.EVAL-CN0352-EB1Z_IO，鋰離子電池充電和放電控制電路（簡化原理圖：未顯示所有連接和去耦）電路描述8通道電池測試系統(EVAL-CN0352-EB1Z)包含8個輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)和1個MCU板(EVAL-CN0352-EB1Z_MCU)，插在1個基板上(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)。圖2所示電路為輸入/輸出板。輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_IO)描述使用ADp5065進行電池充電控制ADp5065處理單個鋰離子電池或鋰聚合物電池所需的全部充電控制，包括恒流(CC)模式、恒壓(CV)模式和涓流充電(TC)模式。TC模式可以測試深度放電電池，確保安全性。ADp5065采用DC-DC開關轉換器架構，相比更為傳統的線性穩壓器而言，在充電過程中具有很高的效率。ADp5065集成了多種重要特性來確保高可靠性，包括熱管理、電池故障檢測和故障恢復。ADp5065的充電參數——比如快速充電電流、充電終端電流和充電終端電壓——均可通過I2C接口編程設置。這種可編程性使ADp5065能用于多種類型的鋰離子電池，同時還可作為完整的電池充電和測試控制器使用。電池放電控制和電子負載(E-Load)電路圖2中虛線框內的電子負載(E-load)電路提供了可編程恒流負載，采用AD8601精密CMOS運算放大器、4個1W、1%功率電阻，以及2個功率SIR464MOSFET。E-load電流目前由AD8601同相輸入端上的控制電壓精確控制。控制電壓（MCU板上的V_DAC）范圍為0V至1V，產生的負載電流為0A至2A。鋰離子電池的典型放電終端電壓為3.0V。此E-load允許的輸出電壓最小值為：2A×1Ω=2V功率MOSFET和功率電阻在放電過程中消耗全部的電池電能。此模塊的冷卻系統僅供演示用途，當放電電流高于750mA時，須額外注意確保足夠的冷卻性能。由于MOSFET導通電阻具有正溫度系數，可以將同樣類型的多個器件并聯使用，并通過圖2中顯示為E-電路的單個環路控制。這是擴展功率MOSFET電路功率處理能力的常用方法。圖3中的采樣保持電路控制各通道上的放電電壓。ADuCM360通過輸出各通道的預配置放電控制電壓然后導通相應的ADG715開關，從而按順序刷新輸入/輸出板的放電電壓。
圖3.多通道電流控制電路的采樣保持電路任何時候都只有一個輸入/輸出板的ADG715開關閉合。0.1μF電容在兩次采樣之間由DAC通過1kΩ電阻充電，在兩次保持之間通過10MΩ電阻（1kΩ接地）放電。充電和放電的帶寬分別約為1.6kHz和0.16Hz。對0.1μF電容上的電壓放電時需要使用10MΩ電阻，如果未連接MCU板則將放電電壓拉至接近地電壓。假定一個N通道系統的采樣和保持時間分別為TS和TH，則必須滿足下列條件：TH=TS(N−1)。因此，更多的通道需要更長的保持時間，而漏電流導致電壓下降更大。對于CN-0352系統而言，N=8，TS=1ms，TH=7ms，電壓下降可以忽略。熱管理大多數鋰離子電池無法在低于0°C或高于60°C的溫度下充電。快速充電和放電只能在10°C到45°C范圍內進行。除了安全問題，鋰離子電池的性能也可能隨著溫度而大幅改變。因此，應精確測量電池溫度，確保測試結果的可重復性，同時也為了確保安全性。使用10kΩ熱敏電阻監控電池溫度，該熱敏電阻通過雙線式連接溫度連接器模塊。待測電池通常位于電路板附近，因此熱敏電阻引線電阻可以忽略。輸入/輸出板上還有另一個10kΩ電阻，它連接ADp5065的THR引腳，如圖2所示。該熱敏電阻用來監控輸入/輸出板散熱器附近的溫度，因為放電時溫度相對較高。檢測熱敏電阻溫度信息，并將其保存在ADp5065充電器狀態寄存器2中，同時MCU板通過I2C總線對其監控。輸入/輸出板上有兩個連接頭，用來連接外部風扇，并分配可配置脈沖寬度調制(pWM)信號。如果熱敏電阻溫度低于45°C，則輸入風扇的pWM信號由MCU設為50%占空比。如果溫度大于45°C，則占空比增加至95%。如果溫度超過60°C，則ADp5065自動停止充電過程。溫度閾值可以通過與熱敏電阻并聯或串聯放置一個固定電阻來微調。電池連接和檢測待測電池通過四線式開爾文連接至輸入/輸出板，消除引線電阻引起的誤差。I+和I−連接線必須具有低引線電阻，以便搭載充電和放電電流。V+和V−線路檢測電池電壓，只有很小的偏置電流。通過測量0.02Ω、1%電流檢測電阻，從而檢測充電和放電電流。所有電池信息均以差分方式檢測，增加魯棒性并降低共模誤差——這很重要，因為充電和放電期間具有較大的接地電流。MCU板(EVAL-CN0352-EB1Z_MCU)描述電壓調理電路圖4中的電路是一個信號調理電路，可用于電壓、電流和溫度通道。所有來自輸入/輸出板的信號均路由至ADuCM360的模擬輸入通道，并通過兩個片上集成的24位Σ-Δ型ADC進行數字化。
圖4.EVAL-CN0352-EB1Z_MCU，利用ADuCM360進行信號調理、數據采集（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）充電終端電壓由ADp5065生成，并在3.5V至4.42V范圍內可調節，兼容各種類型的鋰離子電池。放電終端電壓通常設為3.0V。在特殊情況下，電池可能深度放電至遠低于3.0V的電壓。放電終端電壓可以在0V至5V范圍內設置，該范圍囊括了幾乎全部的鋰離子電池工作條件。檢測電池電壓由AD8275（G=0.2差動放大器）和AD8276（單位增益差動放大器）進行處理這兩個放大器在平衡電路內連接，提供總增益為0.2的差分輸出以及1.8V輸出共模電壓。如圖4所示，兩個1kΩ電阻與AD8275輸入串聯連接，用作限流保護電阻。200Ω電阻補償由于1kΩ串聯電阻導致的增益下降，并將電路增益恢復至0.2。利用以下公式：對于0V至5V電池電壓范圍，VOUT+和VOUT−分別在1.8V至2.3V以及2.3V至1.8V范圍內變化。差分輸出電壓（VOUT+−VOUT−）為0V至1V。這些范圍符合ADuCM360的共模和差分輸入電壓要求。ADuCM360用于電壓采集的配置如下：AIN3和AIN2上差分輸入、單極性、禁用緩沖器的單位增益，以及內部基準電壓源。電流調理電路電池電流通過與電池高端串聯的0.02Ω電阻，在輸入/輸出板上測量。假設測試期間的最大電流為2A，則電阻上的最大差分電壓為±40mV，共模電壓等于電池電壓（可能高于4.2V）。AD8237是一款微功耗、零漂移、軌到軌儀表放大器。簡化框圖如圖5所示。AD8237采用間接電流反饋架構，以實現真正的軌到軌能力。共模輸入電壓可能等于或略超過供電軌電壓。AD8237電路增益以RF1與RG1的比例設為10.09(G=1+RF1/RG1)。RF2和RG2電阻消除輸入偏置電流產生的誤差。±40mV電流測量信號轉換至±400mV，基準電壓為AVDD_REG=1.8V。放大和電平轉換電流檢測信號驅動ADuCM360的AIN5和AIN4差分輸入，該器件配置為雙極性輸入，增益為2，緩沖器使能，內部基準電壓源使能。ADuCM360內部ADC輸入端的差分電壓為±800mV。輸入引腳上的絕對電壓均為1.0V至2.6V。使用ADuCM360的兩個內部ADC，同時對電流和電壓信息進行采樣。差分和共模RFI以及噪聲濾波器分別位于AD8275、AD8237和ADuCM360之前。
圖5.AD8237原理示意圖電池溫度調理電路電池溫度采用位于電池包裝附近或內部的10kΩ熱敏電阻測量。熱敏電阻值通過采用已知電流驅動該熱敏電阻，并測量其上的電壓而確定。如圖6所示，ADuCM360的集成電流源(I_EXT)通過串聯網絡驅動10kΩ熱敏電阻，該串聯網絡包含一個2.2kΩ精密電流檢測電阻、一個肖特基二極管（用于反向電壓保護）、兩個1kΩ限流電阻以及一個10kΩ偏置電壓發生器電阻。串聯電路的最大壓降為：VMAX=IEXT×(1kΩ+2.2kΩ+1kΩ+50kΩ+10kΩ)+VF=IEXT×64.2kΩ+0.31V總壓降必須低于(AVDD−0.85V)。激勵電流限幅為：IEXT<<(AVDD−0.85V−0.31V)/64.2kΩ因此，該電路最大允許激勵電流為33.3μA。激勵電流設為10μA，因此10kΩ電阻上的電壓低于0.5V。ADuCM360內部pGA設為增益2，ADuCM360內部緩沖器使能。溫度輸入端的偏置電壓為10μA×10kΩ=0.1V，滿足內部緩沖器使能時ADuCM360的共模輸入電壓要求。激勵電流基準通道和熱敏電阻電壓通道同時采樣，以便消除任何共模誤差源，比如激勵電流源或電源中的偏移。基準通道的溫度采集配置為：差分輸入、單極性、增益=32、緩沖器使能、內部基準電壓源。熱敏電阻通道的配置為：差分輸入、單極性、增益=2、緩沖器使能、內部基準電壓源。
圖6.電池溫度調理電路基板(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)描述I2C接口擴展
圖7.I2C接口擴展電路基板提供輸入/輸出板和MCU板之間的連接。用戶可以通過不同的I2CDEV_ID訪問特定輸入/輸出板上的ADp5065和ADG715。圖7中的邏輯采用ADuCM360的3位通用輸入/輸出(GpIO)將SCLK信號路由至適當的輸入/輸出板。可以增加更多通道；但是，更多的通道需要更高的ADC采樣速率、更大的MCURAM尺寸、更快的放電電壓刷新速率，以及更高的上級處理器通信帶寬。電池通道數可以通過增加更多EVAL-CN0352-EB1Z系統擴展，它們共享一個RS485總線，連接pC。這種情況下，每一個模塊都必須具有范圍為1至255的唯一ID。ID0保留。CN-0352評估軟件掃描所有ID并記錄各可用ID的ID和通道編號。注意，RS485總線的波特率將會是使用這種方式時通道擴展的限制因素。電路性能測量系統噪聲在電池連接器上測得，測量時將電池電壓檢測引腳V+和V−短路（如圖3所示），并測量ADC輸出碼在2000點采樣間隔期間的峰峰值變化。對電流通道執行類似的測量。對于溫度通道而言，連接10kΩ固定電阻，而不是熱敏電阻。其結果分別顯示在圖8、圖9和圖10中。
圖8.電池連接引腳短路時的電壓噪聲測量（140μV峰峰值電壓噪聲）
圖9.電池連接短路時的電流噪聲測量（140μA峰峰值電流噪聲）圖10.采用10kΩ電阻測量熱敏噪聲（0.014°C峰峰值噪聲）典型的鋰離子電池充電和放電曲線如圖11所示。
圖11.典型充電和放電曲線常見變化ADp5061和ADp5062均為線性電池充電器，具有充電電流高達2A的管理功能。ADp5062采用4mm×4mmLFCSp封裝。ADG714是一款八通道單刀單擲(SpST)開關，集成QSpI™兼容型接口。ADG714的SpI時鐘可以比I2C總線的400kHz上限高很多。因此，通道開關時間比ADG715短得多，并且ADG714是16或32電池通道系統的更佳選擇。完整的EVAL-CN0352-EB1Z板文檔——包括完整原理圖、MCU源代碼、布局圖、Gerber文件和物料清單請參見CN-0352設計支持包(www.analog.com/CN0352-DesignSupport)。電路評估與測試警告此評估系統與鋰離子電池對接，電池過度充電、過度放電或源電流/吸電流超出電池制造商規格時可能使其受損、著火或爆炸。操作時，采取一切必要措施保護用戶。CN-0352的pC評估軟件與EVAL-CN0352-EB1Z硬件通信，捕捉并分析來自EVAL-CN0352-EB1Z電路板的數據。設備要求需要以下設備：?EVAL-CN0352-EB1Z電路評估板系統?5V、3A或更高直流電源，或壁式電源適配器?帶USB端口的pC或筆記本電腦?支持115,200bps的USB轉RS485適配器?CN-0352評估軟件（參見CN-0352用戶指南）?鋰離子電池樣品和電池座（出于安全考慮，強烈建議使用集成了保護電路的鋰離子電池）開始使用有關評估硬件和軟件的操作詳情請參閱CN-0352用戶指南，可在www.analog.com/CN0352-UserGuide上找到。功能框圖圖12顯示測試設置的功能框圖。
圖12.測試設置功能框圖設置將MCU板(EVAL-CN0352-EB1Z_MCU)和輸入/輸出板(EVAL-CN0352-EB1Z_I/O)插入基板(EVAL-CN0352-EB1Z_BAS)上的連接器，如圖12所示。在5V電源關斷的情況下，將5V直流電源連接至標記為pWR的終端模塊。輸入/輸出板上用于冷卻散熱器的風扇是必要的，但包裝盒內不包括風扇。標記為FAN1、FAN2和FpWR的連接頭用來連接風扇。引腳定義如圖13所示。仔細驗證風扇的引腳連接。pWM控制風扇的典型電源為12V。VFAN可以接受的范圍為0V至15V。將VFAN連接至外部直流風扇電源。
圖13.風扇連接將USB轉RS485適配器的USB端口連接至pC上的USB端口，將RS485端連接至MCU板上標記為COM的終端模塊。開啟5V直流電源和風扇電源，然后將鋰離子電池連接至輸入/輸出板。CN-0352軟件用戶指南提供有關測試設置以及如何使用評估軟件收集測試數據并分析結果的詳細信息。
圖14.連接8個電池的完整電池測試系統