1.3 万分之一、50A基于LM5170的大电流测试设备方案介绍

这讲主要是基于LM5170 对于更高电流要求的电池检测设备 传统方法可能通过多个TL594的 电路板的一个并联来实现 但是T1594的方案 并没有一个实时保护 和控制电感电流 对系统的安全性稳定性不利 而且TL594的集成度不高 也这也导致了目前的方案比较复杂 目前 TI 已经推出了一个 基于 LM5170的大电流的一个解决方案 LM5170是一颗平均电流控制器 利用模拟电路实时监控 LM5170是一颗平均电流控制器 利用模拟电路实时监控 和控制电感电流 集成对响应速度要求高的峰值电流保护 和母线端和电池端电池保护 以及大电流 MOS 驱动器 所以基于 LM5170 可以较为简单的 构建一个大电流的 电池检测方案的功率部分 所以基于 LM5170 可以较为简单的 实现电池检测方案中的功率变换部分 那除了 LM5170 在外围的这一部分的控制电路 可以是为了实现更高精度的一个要求 因为对高速响应的电路 已经被 LM5170 所解决 所以这一部分电路对响应速度的要求 稍微低一些 所以专注于提高精度 为了验证 LM5170 在大电流 电池检测设备上的可靠性 TI 在早期发布了 该外围电路的一个控制板 也就是 PMP15038 该参考设计 LM5170 的 EVM 板进行结合 可以组成一个较为完整的电池检测和系统 下面我会介绍 这个参考设计的原理和测试结果 大家也可以登录 TI 的官网 去搜索 PMP15038 去下载该参考设计 这是一个非常简单的一个小的控制卡 大家可以下载资料之后去自己制作 然后可以向 TI 申请 LM5170 的 EVM 板 二者配合起来去测试大电流的一个性能 这是参考设计 PMP15038 的 一个设计框图 其中 LM5170 是主功率部分 该 EVM 板可以通过 TI 的官网去购买 或者找 TI 的相关的人去申请 而且该 EVM 板有非常丰富的一个接口 方便大家去评估它的性能 那在这里一个高精度 低温度系数功率电阻 与仪放 INA188 组成一个电流采样电路 该电阻值需要折中去选取 小的电阻值功耗小 电阻的温升也小 但是采样信号弱 采样信号误差相对更大 大电阻信号强采样精度好 但是损耗大 电阻温升也高 这样会引入电阻温度系数的影响 对于 INA188 一个重要参数是输入信号共模抑制比 如果共模抑制不足 电池电压的变化会对 采样信号进度产生影响 而且这种影响很难被校正 采样信号与电流指令比较 对误差信号积分放大后 输入到 LM5170 LM5170 将根据 ISET 信号 控制电感电流 电流的方向是由 LM5170 集成的 方向 PIN 脚确定的 那这个 PIN 脚为高的时候 工作在 BUCK 模式给电池充电 那这个 PIN 脚为低的时候 工作在 boost 模式电池放电 那电压的控制的环路 与电流控制的环路也是基本相同的 因为在 LM5170 上缺少该采样电阻 所以我们通过外部增加这个电阻 来解决这个问题 那左边是 LM5170 的一个 EVM 板 最左侧是我们的一个参考设计 一个小的控制卡 二者配合就可以搭建一个 相对完整的一个电池测试 TI 在 6 月底发布了一个新的 参考设计 TIDA-01040 那这是一个非常完整的 大电流的电池测试参考设计 那它有什么特性呢 第一通过校准 它拥有全电流范围内的 一个万分之一的一个精度 那第二它支持 50A 的一个应用 那输入是8到16伏 负载电池侧工作在0到4.5伏 最大是五伏 那这是它的一个实际的板子 那他就把控制接口和功率部分 全部做在了一个板子上 但是因为这是一个参考设计 所以这个板子的数量非常少 所以如果大家可以需要去评估的话 可以使用前面的小的控制卡 以及 LM5170 的 EVM 板 去配合去实现这样一个性能的测试 因为二者的外围环路都是差不多 那大家可以在 TI 官网 去搜索该参考设计 可以下载它的所有的原理图 BOM 表以及测试报告以及设计原理等 那这个是 LM5170 的简化电路原理图 这是一颗运行电流 这是一颗可以双向工作的芯片 那它可以两相交错也可以多相级联 他交错的好处是减小输入输出电压纹波 同时将单个电感的电流值减小一半 开关器件的电流同样减小 虽然个数增加 但是更容易在市场上找到合适的产品 整体成本上还是非常有优势的 那 LM5170 可以多个 IC 并行工作 从而实现四相六相 或者更多相同时均流工作 那 LM5170 可以通过电阻调节 它的工作频率从50K到500K赫兹 或者通过与外部的时钟同步 调节开关频率可以优化 变换器的一个工作效率和无源器件 特别是电感的体积 开关频率高可选小体积的无源器件 但是开关损耗与开关频率同比例的增加 开关频率小无源器件大 但是变换器开关损耗小 该 IC 工作在 buck 状态时 上管没有最小开通限制 理论上占空比可以为最小为零 所以电池侧电压可以最小为零 驱动器的驱动电流为 5 安 可以有效减少开关损耗 或者选择导通阻抗更小的 MOSFET 因为对于工艺相同的 MOS 来说 寄生电容和导通电阻成反比 导通电阻小的 MOS 管寄生电容大 导通电阻大的 MOS 管寄生电容小 而寄生电容与开关损耗是正相关的 ISET 是模拟电流指令输入信号 正常运行时两路的 电感电流采样电阻的电压的平均值 会被控制为跟随 ISET 的输入 当然它是一个相对 成一定比例的一个关系 但是这个精度并不能满足 电池检测系统的要求 那接下来 DIR 的这个 PIN 脚 是用来控制电感电流的一个方向 当 DIR 为高的时候 电感电流流向电池 当 DIR 为低的时候 电感电流方向则为反向 电流运放对电感电流 进行采样和放大 50 倍 运放根据外部的 DIR 信号 进行方向切换 通过跨导放大器和 COM 脚 将电感电流信号控制为跟随 ISET 的信号 COM 脚的信号与锯齿波进行比较 送入驱动电路 因为电池充电或放电的时候 主 MOS 和续流管的 MOS 是相反的 所以驱动信号也要根据方向去进行改变 之后驱动信号会被送入到 经过死区逻辑控制之后的 5A 的驱动器 死区时间可以根据外部电阻设定 或由内部电阻自动控制死区时间 那这个呢是电感电流过零检测电路 在电感过零的时候关断续流管 防止出现电感电流 与 DIR 方向相反的情况 那在电感电流纹波 大于电感电流平均值的时候 如果续流管不关断 就会在某段时间内电感电流反向 另外在启动和瞬态变化过程中 也可能出现反向电流流过续流管 在 LM5170 中的过零检测电路 就很好的避免了这一点 这是整个 IC 的控制功能框图 有电流输入指令 可以是模拟信号或者 PWM 信号 母线侧和电池侧的保护 死区控制电路 时钟和同步电路 还有使能和 IC 供电电路 那 LM5170 的一个粗略介绍就到此为止 那大家可以去 TI 官网下载 规格书以及它的设计资料 去详细的了解他的具体工作情况 这一小节的讲解就到此结束 谢谢大家