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

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