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细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造

标签:细密,模仿,控制,控制器,优化,服从,离子,电源,模块 时间:2020年05月31日 阅读23
【导读】节能和环保在我们的日常生活中扮演偏重要的角色;而随着价格亲民的混合动力汽车和电源模块动汽车的发布,人们的这些意识进一步得到了进步。这两项技术均使用大量充电源模块电源模块池,其中高品质、高功率的锂离子电源模块池单元代表了目前为止最佳的解决方案。这些电源模块池广泛用于笔记本电源模块脑、手机、数码相机、摄像机和其他便携式设备中,但生产服从并未成为一个重要题目,由于这些电源模块池的容量较低,通常为每单元或每组低于5 安时(Ah)。一个典型的电源模块池组由不到一打的电源模块池单元组成,因此匹配也不是什么紧张题目。   实现节能的一种方法是在非岑岭时段储存电源模块能,增补岑岭时候的 用电源模块需求。用于车辆或电源模块能存储的电源模块池具有高得多的容量,通常 为几百Ah。这是通过大量小型电源模块池单元或一些高容量电源模块池来实现 的。例如,某种型号的电源模块动汽车采用大约6800 个18650 锂离子电源模块 池单元,重达450 kg。因为这个缘故原由,电源模块池生产必要制造速度更 快、服从更高以及控制更正确以知足市场的价格需求。   锂离子电源模块池制造概述   图1 表现锂离子电源模块池制造过程。下线调理步骤中的电源模块池化成和测试不仅对电源模块池寿命和品质产生极大影响,照旧电源模块池生产工艺瓶颈。   细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造 图1. 锂离子电源模块池制造过程   就目前的技术来说,必须在电源模块池单元级完成化成,这可能需耗时数小时甚至数天,详细取决于电源模块池化学特征。在化成时通常采用0.1 C(C 是电源模块池容量)电源模块流,因此一次完备的充放电源模块循环将必要 20 小时。化成可占到电源模块池总成本的20%至30%。   电源模块气测试通常使用1 C 充电源模块电源模块流和0.5 C 放电源模块电源模块流,如许每次循环依然必要一小时的电源模块池充电源模块时间和两小时放电源模块时间,且一个典型的测试序列包括多个充放电源模块周期。   化成和电源模块气测试具有严酷的精度规格,电源模块流和电源模块压控制在±0.05%以内。作为比较,为便携式设备(比如手机和笔记本电源模块脑)的电源模块池充电源模块时,精度可能仅为±0.5%(电源模块压)和±10%(电源模块流)。图2 表现典型的锂离子充放电源模块曲线。   细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造 图2. 典型锂离子电源模块池充放电源模块曲线   线性或开关化成及测试体系   选择制造方法时,需考虑到的最紧张因素是功效、体系精度和成本。当然,其他因素——比如小尺寸和易于维护——也十分紧张。   为知足电源模块池制造中的高精度要求,体系设计人员原来会采用线性电源模块压调节器;如许做可以轻松知足精度要求,但服从较低。用在低容量电源模块池生产可能是一个较好的选择,但某些制造商依然可以 采用开关技术来凸显他们的上风。最终决策将是服从、通道成本和电源模块流之间的取舍。原则上讲,开关技术能够以雷同的单通道成本为容量超过3 Ah 电源模块池单元提供更高的服从。表1 表现各类电源模块池单元的功率容量和最终用途。   表1. 线性和开关体系对比 细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造   为了以更低的成本更快地生产电源模块池,体系在化成和测试阶段使用 了成百上千的通道,其测试仪拓扑取决于体系的总能源容量。测试仪中的大电源模块流会导致温度大幅上升,增长随时间推移而维持高测量精度和可重复性的难度。   在放电源模块阶段,保存的电源模块能必须要有地方能够输出。一个解决方法是把电源模块池放电源模块到阻性负载,将电源模块能转化为热能而虚耗。一个更好的解决方案是循环使用这些电源模块能,通过细密控制电源模块路将电源模块流从放 电源模块电源模块池单元馈入另一组充电源模块电源模块池单元中。这项技术可以明显进步测试仪服从。   一样平常而言,通过每个电源模块池单元的直流总线和双向PWM 转换器,可实现电源模块能平衡。直流总线电源模块压与特定体系有关,电源模块压值可以是12 V、24 V 甚至高达350 V。对于同样的电源模块量而言网站关键词优化,因为存在导 通电源模块阻,较低的电源模块压总线具有较高的电源模块流和较高的损耗。较高的电源模块压会产生安全性方面的额外担忧,并且必要使用成本高昂的电源模块源和隔离电源模块子器件。   图3 表现可实现电源模块能循环的典型开关拓扑。各电源模块池单元之间(红色路径)或各电源模块池单元之间的直流链路总线(绿色路径)可实现电源模块能的循环行使,也可将其返回电源模块网(紫色路径)。这些天真的 高服从设计可降低生产成本,并获得90%以上的服从。   细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造 图3. 行使电源模块源循环功能切换体系   虽然这项技术具有许多益处,但也存在一些技术难题。电源模块压和电源模块流控制环路速度必须充足高,并且必须能随时间和温度的转变保持高精度。使用空气冷却或水冷却会有所帮助,但采用低漂移电源模块 路更为紧张。该体系包括开关电源模块源,因此必须以合理的成本克制电源模块源纹波。另外最大程度缩短体系校定时间也很紧张,由于体系关断进行校定时不会产生收益。   控制环路设计:模仿或数字   每个体系都提供一个电源模块压控制环路,还有一个电源模块流控制环路,如图4 所示。对于汽车中使用的电源模块池单元,汽车加速时必要快速斜升电源模块流,因此测试时必须对其进行仿真。快速转变速率和宽动态范围让电源模块流控制环路的设计变得十分棘手。   细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造 图4. 电源模块池制造体系中的控制环路   一个体系必要四个不同的控制环路,这些环路可在模仿域或数字域中实现:恒流(CC)充电源模块、CC 放电源模块、恒压(CV)充电源模块和CV 放电源模块。需干净地切换CC 和CV 模式,无毛刺或尖峰。   图5 表现数字控制环路的框图。微控制器或DSP 延续采样电源模块压和电源模块流;数字算法决定PWM 功率级的占空比。这种天真的体例许可进行现场升级和错误修复,但有一些瑕玷。ADC 采样速率必须 超过环路带宽的两倍,大部分体系采样速率为环路带宽的10 倍。这意味着,双极性输入ADC 必须工作在100 kSPS,才能采用单个转换器和分流电源模块阻涵盖充电源模块和放电源模块模式。某些设计人员在速度和精度更高的体系中采用16 位、250 kSPS ADC。作为控制环路的一部分,ADC 精度决定了体系的团体精度,因此选择高速、低 耽误、低失真的ADC 很紧张,比如6 通道、16 、250 kSPSAD7656.   细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造 图5. 数字控制环路   在多通道体系中,每个通道一样平常要求使用一个微控制器和一组专用ADC。微控制器处理数据采集、数字控制环路、PWM 生成、控制和通讯功能,因此它必须具有特别很是高的处理能力。此外,由 于处理器必须处理多个并行义务,PWM 旌旗灯号中的抖动可能会引起题目,尤其是PWM 占空比较低时。作为控制环路的一部分网络营销顾问,微处理器会影响环路带宽。   图6 中的电源模块池测试体系采用模仿控制环路。两个DAC 通道控制CC 和CV 设定点。AD8450/AD8451 用于电源模块池测试与化成体系的细密模仿前端和控制器可测量电源模块池电源模块压和电源模块流,并与设定点进行比较。CC 和CV 环路决定MOSFET 功率级的占空比模式从充 电源模块变为放电源模块后,测量电源模块池电源模块流的仪表放大器的极性转,以保证 其输出为正,同时在CC 和CV 放大器内部切换可选择精确的补偿网络。整个功能通过单引脚行使标准数字逻辑控制。   细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造 图6. 模仿控制环路   在此方案中,ADC 监测体系,但它不属于控制环路的一部分。扫描速率与控制环路性能无关,因此在多通道体系中,单个ADC 可测量大量通道上的电源模块流和电源模块压。对于DAC 而言同样如此,因此针对多个通道可采用低成本DAC。此外,单个处理器只需控制CV和CC 设定点、工作模式和管理功能,因此它能与多通道实现接口。处理器不决定控制环路性能,因此并不要求高性能。   ADP1972 PWM 发生器使用单引脚控制降压或升压工作模式。模 拟控制器和PWM 发生器之间的接口由不受抖动影响的低阻抗模仿旌旗灯号构成;而抖动会使数字环路产生题目。表2 表现模仿环路相比数字环路如何提供更高的性能和更低的成本。   表2. 模仿和数字控制环路比较 细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造   特定温度范围内的体系精度   校准可除去大部分初始体系偏差。余下的偏差包括:放大器CMRR、DAC(用于控制电源模块流和电源模块压设定点)非线性和温度漂移造成的偏差。制造商指定的温度范围各有不同,但最常见的是25°C ±10°C,本文即以此为例。   本设计中使用的电源模块池,完全放电源模块后电源模块压为2.7 V,完全充电源模块后电源模块压为4.2 V;使用5 mΩ分流电源模块阻的满量程电源模块流为12 A;用于。AD8450的电源模块流检测放大器的增益为66;用来测量电源模块池电源模块压差动放大器 增益为0.8。   总体系偏差中,电源模块流检测电源模块阻漂移占了相称一部分。Vishay 大金属电源模块阻;器件型号:Y14880R00500B9R,最大温度系数为15ppm/°C,可削减漂移。AD5689 双通道、16 位nanoDAC+™模 转换器,最大INL 额定值为2 LSB,可降低非线性度。ADR45404.096 V 基准电源模块压源,最大温度系数额定值为4 ppm/°C,是在电源模块流和电源模块压设定点之间进行取舍后的理想选择。经电源模块流检测放大器以66 倍衰减后,DAC INL 会使满量程偏差增长约32 ppm,基准电源模块 压源引入的增益偏差为40 ppm。   电源模块流检测放大器在增益为66 时的CMRR 最小值为116 dB。假如体系针对2.7 V 电源模块池进行校准,则4.2 V 电源模块池将产生40 ppm 满量程偏差。此外,CMRR 转变为0.01 μV/V/°C,或者0.1μV/V(10°C 温度范围)。电源模块流检测放大器的失调电源模块压漂移最大值为0.6 μV/°C,因而10°C 温度偏移将产生6 μV 失调,或者100 ppm 满量程偏差。   最后,电源模块流检测放大器的增益漂移最大值为3 ppm/°C,而总漂移为30 ppm(10°C 范围内)。检测电源模块阻漂移为15ppm/°C,因此统共增长150 ppm 增益漂移(10°C 范围内)。表3 总结了这些偏差 源,它们产生的总满量程偏差不足0.04%。该偏差很大一部分来源于分流电源模块阻,因此需要时可以采用漂移值较低的分流电源模块阻,以改善体系精度。   表3. 10ºC 范围内的电源模块流测量偏差 细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造   类似地,对于电源模块压输入而言,2 LSB DAC INL 相称于折合到5.12 V满量程输入的31 ppm 偏差。若电源模块池电源模块压在2.7 V 和4.2 V 范围内转变,那么差动放大器的78.1 dB CMRR 将产生187 μV 失调偏差,或者36.5 ppm 满量程偏差。来自CMRR 漂移的额外偏差远低于1ppm,可以忽略。   差动放大器的失调漂移为5 μV/°C,或者10 ppm 满量程偏差(10°C范围内)。差动放大器的增益漂移为3 ppm/°C,或者30 ppm(10°C 范围内)。基准电源模块压漂移为40 ppm(10°C 范围)。总电源模块压偏差最大值为0.015%四川人事考试信息网,如表4 所总结。   表4. 10ºC 范围内的电源模块压测量偏差 细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造   实现高精度电源模块流测量要比高精度电源模块压测量困难得多,由于旌旗灯号电源模块平更小而动态范围更宽。分流电源模块阻和仪表放大器失调漂移随温度 产生的偏差最大。   削减校定时间   体系校定时间可达每通道数分钟,因此削减校定时间便可降低制造成本。若每通道需3 分钟,则96 通道体系便必要4.8 小时来实行校准。电源模块压和电源模块流测量路径有所不同,由于电源模块流极性会发生改变,且失调和增益偏差在各种模式下均有所不同,因此需单独校 准。若没有低漂移元件,就必须针对每一个模式进行温度校准梯形丝杆,导致校定时间特别很是长。   当 AD845x在充电源模块和放电源模块模式之间切换时,内部多路复用器将在到达仪表放大器和其他旌旗灯号调理电源模块路之前改变电源模块流极性。因此, 仪表放大器将始终获得雷同的旌旗灯号,无论处于充电源模块照旧放电源模块模式,且增益偏差在两种模式下均雷同,如图7 所示。多路复用器的电源模块阻在充电源模块和放电源模块两种模式下不同,但仪表放大器的高输入阻抗使得此偏差可忽略不计。   从体系设计角度而言,两种模式下具有雷同的失调和增益偏差意味着单次校准可消弭充电源模块和放电源模块模式下的初始偏差,使校定时间减半。此外,AD845x 具有极低漂移,对其进行单次室温校准即可, 无需在不同温度下进行校准。考虑到整个体系寿命期间所需的校准,节省的时间可转化为成本的大幅降落。   削减纹波   从线性拓扑转换到开关拓扑后,体系设计人员面临的题目之一是电源模块压和电源模块流旌旗灯号中的纹波。每一个开关电源模块源体系都会产生一些纹波,但在高服从、低成本要求的PC 和其他大用量电源模块源管理应用中稳压器模块的推动,技术变革特别很是快。精心设计电源模块路和PCB 布局, 可以削减纹波,使得开关电源模块源可以为一个16 位ADC 供电源模块而不会降低其性能,详见AN-1141 应用笔记用开关稳压器为双电源模块源细密 ADC 供电源模块。此外,ADP1878同步降压控制器数据手册提供有关高功率应用的更多信息。大部分开关电源模块源使用单级LC 滤波器,但 若必要更佳的纹波和更高的体系精度,则双级LC 滤波器将有所帮助。   均流控制   AD8450支撑方便的纯模仿均流,是结合多通道实现高容量电源模块池化成和测试的快速、高性价比之选。例如,可以行使一个5 V、20 A单通道设计,三个雷同的通道均流后可产生5 V、60 A 体系。采用AD8450 和一些无源器件即可实现均流总线和控制电源模块路。与单通道设计相比,这是一种高性价比体例,由于可以使用低成本功率电源模块子器件,无额外开发时间。详情可参见AD8450 数据手册。   细密模仿控制器优化高服从锂离子电源模块池制造 图7. AD845x 在充电源模块和放电源模块模式下具有雷同的失调和斜率   结论   AD8450, AD8451, and ADP1972简化体系设计,具有优于0.05%的 体系精度和超过90%的能效,有助于解决可充电源模块电源模块池制造瓶颈题目,同时为环保技术的普及做出贡献。开关电源模块源可为当代可充电源模块电源模块池的制造提供高性能、高性价比解决方案。   参考电源模块路   Wang, Jianqiang, 等人, ""高容量单体锂离子电源模块池充放电源模块体系研究"." PEDS2009.   Wolter, M, 等人, " "锂离子电源模块池生产线中的下线测试与化成工艺"" 第9 届体系、旌旗灯号和设备国际多方会议,2012 IEEE。    

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