1 低成本
采用TI的C2000数字控制方案的典型结构如图 1所示：电流/电压放大器对电池充放电的电流/电压进行采样，通过模数转换器ADC将模拟信号转化为数字信号并送入C2000?中，C2000根据恒流或恒压指令与采样信号进行环路计算，输出一定占空比的PWM从而调节MOSFET的开关，最终使得buck/boost变换器按照指令通过恒流或恒压的方式对锂电池进行充放电。
图1
相比于模拟方案，由于电压、电流指令和环路控制都在C2000中产生和完成，省去了高分辨率的数模转换器DAC和误差放大器，有效地降低了系统成本。
TMS320F280049是具有100MHz主频、256KB 闪存的 C2000? 32 位 MCU，通过高分辨率的16bit PWM，最多可以控制8个独立通道的同步buck/boost变换器。采用TMS320F280049的数字控制方案，比传统的模拟控制方案可以节省30%以上的BOM成本。
此外，由于锂离子电池在3C产品、电动汽车、储能等诸多领域都有广泛应用，各类锂离子电池的电流往往差别很大。这导致了电池测试设备若采用模拟控制，往往需要根据电流大小选取不同的硬件方案，增加了研发周期与设备成本。如果采用C2000的数字控制方案，则可以在不改变硬件的前提下，在小电流或大电流模式间自由切换：在小电流时，8各通道可以分别独立运行；在大电流时，则将多个通道并联运行，以输出更大的电流。
图2
如图2所示，在多通道并联运行时，每个通道都将采用同一个恒压环路，恒流环路则各自独立，只需将输出并联后就可以实现更大的输出电流范围。因此，相比于模拟控制，采用C2000的数字控制方案，可以在不改变硬件的条件下适应更广泛的测试场景，大大减少了设备成本。
2 高精度
通过校准，电池测试设备往往可以除去大部分初始系统误差。剩余难以被校准的误差来源主要包括：电流检测电阻的温漂，电流、电压检测放大器的失调与增益温漂、输入共模电压变化带来的失调，ADC的非线性度，基准电压源的温漂。在本文中，按照±5°C的温度变化范围计算误差值。
电流检测电阻：
电流检测电阻的温漂是总系统误差的重要来源，对于CC控制，需要一个几毫欧并且低温度系数的高精度电流检测电阻。本文采用高精密、电流感应金属条 SMD 功率电阻器，检测电阻的阻值为5m?，温漂值为10 ppm。那么，由于电流检测电阻的温漂造成的误差为50ppm。
电流检测放大器：
为了减小大电流造成的温升和功率损耗，电流检测电阻的阻值一般较小，因此电流检测放大器的输入差分信号一般不超过几十毫伏，往往选择仪表放大器进行信号调理。仪表放大器的误差主要来源于以下两个方面：环境温度改变时，失调电压和增益的漂移；电池电压改变时，由于输入共模电压变化造成的失调电压。因此，在选择仪表放大器时，应该主要关注失调电压漂移、增益漂移、CMRR等参数。表1为TI主推的几款应用于电池测试设备的仪表放大器的关键参数：
表1
Specifications | INA821 | INA828 | INA819 | INA188 |
Vos max (μV) | 35 | 50 | 35 | 55 |
Drift (Max) (μV/C) | 0.4 | 0.5 | 0.4 | 0.2 |
Gain Error (% Max) | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.5 |
Gain drift (ppm/°C) (G=1) | 5 | 5 | 5 | 5 |
CMRR (Max Gain) (Min) (dB) | 140 | 140 | 140 | 118 |
GBW (MHz) (G=1) | 4.7 | 2 | 2 | 0.6 |
INA821作为一款高精密、低漂移的仪表放大器，失调电压漂移最大值为0.4 μV/°C，那么±5°C温度偏移将会产生2 μV失调电压，即40ppm满量程误差；增益漂移为5 ppm/°C，那么±5°C温度偏移会产生25ppm误差；共模电压抑制比为140dB，那么输入共模电压范围在0~5V变化时，将产生0.5μV失调电压。在10A充电电流下，满量程采样电阻的电压信号为50mV，即输入共模电压变化带来10ppm满量程误差。
电压检测放大器：
电压检测放大器的误差来源同样主要来源于失调电压和增益的漂移，以及输入共模电压变化造成的失调电压。因此，在选择仪表放大器时，同样应该主要关注失调电压漂移、增益漂移、CMRR等参数。
TLV07是一款成本敏感型、低噪声、轨到轨输出、精密运算放大器，失调电压漂移的典型值为0.9 μV/°C，那么±5°C温度偏移将会产生4.5μV失调电压，即1ppm满量程误差；增益漂移主要受输入电阻与反馈电阻的漂移误差的影响，在这里取5 ppm/°C，那么±5°C温度偏移会产生25ppm误差。共模电压抑制比最小值为104dB，那么输入共模电压范围在0~5V变化时，将产生31.5μV失调电压，即6ppm满量程误差。
模数转换器及基准电压源：
模数转换器ADC的误差主要是由于非线性度和基准电压源的漂移造成的。ADS131M08是24位、32kSPS 、8通道同步采样的Δ-Σ高精度ADC，由于ADS131M08是差分输入，可以有效减小由于各通道间串扰引起的误差。从数据表中可以查到，ADS131M08的非线性度INL仅为7.5ppm满量程误差。如果采用内部基准电压源，温漂最大值为20 ppm/°C，那么±5°C温度偏移会产生100ppm误差。如果采用外部基准电压源REF2025，温漂最大值仅为8 ppm/°C，那么±5°C温度偏移误差将会降至40ppm。
误差汇总：
根据以上分析，将各误差来源造成的误差值汇总，即可计算得到在恒流、恒压控制时，电池测试设备的系统总误差如表2所示。可以看到，采用C2000的数字控制方案，电流和电压误差范围都在万二以内，达到了极高的控制精度。
表2
电流误差 | 电压误差 | ||
误差来源 | 满量程误差 | 误差来源 | 满量程误差 |
分流电阻温漂 | 50 ppm | 分流电阻温漂 | 50 ppm |
INA821失调温漂 | 40 ppm | TLV07失调温漂 | 1 ppm |
INA821增益温漂 | 25 ppm | TLV07增益温漂 | 25 ppm |
INA821 CMRR | 10 ppm | TLV07 CMRR | 6 ppm |
ADS131M08非线性度 | 7.5 ppm | ADS131M08非线性度 | 7.5 ppm |
REF2025 电压温漂 | 40 ppm | REF2025 电压温漂 | 40 ppm |
总误差 | 0.017% | 总误差 | 0.013% |
综上所述，在电池测试设备中采用TI的C2000数字控制方案，在降低系统成本的同时，可以保证极高的电流、电压控制精度，非常适合在各类电池测试方案中的应用。
