1.4 基于LM5170的电压环路、电流环路设计以及测试、PCB布板介绍

这一讲主要是关于

LM5170 外围的电压环电流环

以及 LM5170 的 layout 的一些介绍

如前面所提及的

因为 5170 集成的电流采样运放

以及跨导运放它的精度不够

无法满足电池设备的精度要求

所以我们需要使用更高精度的

仪表运放来进行电流采样

并且使用低偏置电压的运放

这部分电路是

电流精度控制的核心电路

包括换相电路

要保证换相器件的输出信号方向不变

仪表运放使用 INA188

在放大倍率 温漂 共模抑制比方面

都非常出色

那误差放大器我们使用 OP07

或者大家也可以使用

与它 P2P 的 TLV07

运放经过二极管和限流电阻

接入 LM5170 的模拟 PIN 脚 ISETA

那串联二极管的原因

后面会进一步解释

ISET 对地有肖特基二极管

保证 ISET 引脚

不会被拉至于低于 -0.4V 的一个电平

另一个特别需要关注的细节就是

仪表放大器和误差放大器的供电

必须要有稳定的一个供电

在实际应用中

一个功率板上有多个

电池充放电的通道

PCB 的面积很大

而这些供电是相同的

这个就代表供电的电流

走的路程会非常长

很容易产生比较大的纹波

所以需要在这些运放的附近

用 RC 滤波保证供电稳定

那电池电压的

主要控制电路就比较简单

一般可以采用两个 OP07

或者 TLV07 实现

其中一个采样电池两端的电压

那这个取决于电压指定的范围

可以将电压信号缩小一倍

误差放大器保证电池电压

跟随电压指令

运算放大器输出

那通过两个电阻分压后

同样可以进入 LM5170 的

模拟输入端 ISETA

分压电阻的作用呢

是限制 ISETA 的电压不超过五伏

那这个可以根据实际的

设计指标去进行设计

那同样的是在这个地方

我们同样是需要保证

供电的一个稳定性

那前面提到电流环和电压环的

最终输入信号都接入了

5170 的模拟输出 PIN 脚

也就 ISETA

但是方法有一点区别

电压环的输出呢

电压范围是正电压和负电压供电的一半

虽然肖特基将最小值

控制在 -0.3V 左右

而电流环通过二极管只有下拉能力

而下拉电流必须要高于

电压环的上拉电流

在电池电压小于

在电池电压小于电压指令时

电压环输出为高电平

但是电流环将 ISETA 的控制在合适数字

使得电池电流等于电流指令

当电池电压等于电压指令后

电压环输出电压减小

电池电流小于电流指令

电流环的运输呢

电流环的运放输出为高电平

但是二极管阻断了这个电压的影响

所以电池电压

电池被控制到电池的电压

那在 PMP15038 的设计上

我们采用了一个非常简单的

矫正控制器的放大倍率

和直流偏置量的一个方法

这个方法假定

放大倍率和偏移量在不同电流

和不同电池电压上是固定的

测试给定 20% 和 80%

最大电流指令使得实际值

需要注意的是电流指令

实际信号是电压信号

所以根据20%和80%之间的差

可以计算指令信号

到实际电池的比例为 9.82607

根据20%最大电流指令

和实际电流指令的差

计算出直流偏移约为 -5.9

按实际测试看来

不同电池电压

以及采样电阻的温度系数

对精度都有显著的影响

那大家可以参 TI 最新的参考设计

TIDA01040 的校正方法

那里面有更为详细的一些介绍

左图是在相同的3.6伏电池电压下

1 安到 50 安电池电流的情况下

测试的结果

那最大的误差不超过万分之一

那右图的表2是在同样指令下

电池电压从0.05伏到5伏时

输出电流的情况

随着电池电压的增加

实际电流只变化了两个毫安

测试过程中使用电子负载来模拟电池

那表格3是电压环的控制精度

测试前同样采用类似的方法

校准电压控制环

电压指令和实际电压之间误差小于0.5

那 PCB 的布板对设计电路的实现

以及控制精度以及可靠运行都非常关键

不好的 pcb 会产生大的开关噪声

可能将开关噪声引入模拟的控制电路

从而引起一系列的问题

pcb 布板一般从功率电路开始布起

因为这是噪声的源头

从减小噪声的角度来说

两个开关器件和高压侧

电流的环路越小越好

但是开关器件的温升要求也会对

开关器件的距离有限制

图中红色部分是

PCB LM5170 功率器件的

一个布板的示意图

那 LM5170 与功率电路的接口

连线同样非常重要

分为两个部分

一个是开关器件的驱动电路

一个是采样线的一个布线

驱动信号是干扰源

我们可以将驱动信号并行走线

减小对外的辐射和干扰

而采样线是容易受到干扰的线路

同样需要并行走线

尽量减小受到外部的干扰

最好能够用地线屏蔽

那在这里用开尔文连接方法

采样电阻面积一般比较大

但是电流采样上的点非常小

放在采样电路正下方的中心点

或者有些电路有专门的采样点

可以进行使用

这是 LM5170 附近的走线

这个是 LM5170 附近的走线

蓝色线为采样信号输入

和驱动走线的输出

以 IC 焊盘作为参考地

功率地单点接入这个参考地

大家更多的 Layout 的细节

可以去参考 LM5170

以及我们的几个参考设计

其中的实际的走线

这一小节的讲解就到此结束

谢谢大家

这一讲主要是关于

LM5170 外围的电压环电流环

以及 LM5170 的 layout 的一些介绍

如前面所提及的

因为 5170 集成的电流采样运放

以及跨导运放它的精度不够

无法满足电池设备的精度要求

所以我们需要使用更高精度的

仪表运放来进行电流采样

并且使用低偏置电压的运放

这部分电路是

电流精度控制的核心电路

包括换相电路

要保证换相器件的输出信号方向不变

仪表运放使用 INA188

在放大倍率 温漂 共模抑制比方面

都非常出色

那误差放大器我们使用 OP07

或者大家也可以使用

与它 P2P 的 TLV07

运放经过二极管和限流电阻

接入 LM5170 的模拟 PIN 脚 ISETA

那串联二极管的原因

后面会进一步解释

ISET 对地有肖特基二极管

保证 ISET 引脚

不会被拉至于低于 -0.4V 的一个电平

另一个特别需要关注的细节就是

仪表放大器和误差放大器的供电

必须要有稳定的一个供电

在实际应用中

一个功率板上有多个

电池充放电的通道

PCB 的面积很大

而这些供电是相同的

这个就代表供电的电流

走的路程会非常长

很容易产生比较大的纹波

所以需要在这些运放的附近

用 RC 滤波保证供电稳定

那电池电压的

主要控制电路就比较简单

一般可以采用两个 OP07

或者 TLV07 实现

其中一个采样电池两端的电压

那这个取决于电压指定的范围

可以将电压信号缩小一倍

误差放大器保证电池电压

跟随电压指令

运算放大器输出

那通过两个电阻分压后

同样可以进入 LM5170 的

模拟输入端 ISETA

分压电阻的作用呢

是限制 ISETA 的电压不超过五伏

那这个可以根据实际的

设计指标去进行设计

那同样的是在这个地方

我们同样是需要保证

供电的一个稳定性

那前面提到电流环和电压环的

最终输入信号都接入了

5170 的模拟输出 PIN 脚

也就 ISETA

但是方法有一点区别

电压环的输出呢

电压范围是正电压和负电压供电的一半

虽然肖特基将最小值

控制在 -0.3V 左右

而电流环通过二极管只有下拉能力

而下拉电流必须要高于

电压环的上拉电流

在电池电压小于

在电池电压小于电压指令时

电压环输出为高电平

但是电流环将 ISETA 的控制在合适数字

使得电池电流等于电流指令

当电池电压等于电压指令后

电压环输出电压减小

电池电流小于电流指令

电流环的运输呢

电流环的运放输出为高电平

但是二极管阻断了这个电压的影响

所以电池电压

电池被控制到电池的电压

那在 PMP15038 的设计上

我们采用了一个非常简单的

矫正控制器的放大倍率

和直流偏置量的一个方法

这个方法假定

放大倍率和偏移量在不同电流

和不同电池电压上是固定的

测试给定 20% 和 80%

最大电流指令使得实际值

需要注意的是电流指令

实际信号是电压信号

所以根据20%和80%之间的差

可以计算指令信号

到实际电池的比例为 9.82607

根据20%最大电流指令

和实际电流指令的差

计算出直流偏移约为 -5.9

按实际测试看来

不同电池电压

以及采样电阻的温度系数

对精度都有显著的影响

那大家可以参 TI 最新的参考设计

TIDA01040 的校正方法

那里面有更为详细的一些介绍

左图是在相同的3.6伏电池电压下

1 安到 50 安电池电流的情况下

测试的结果

那最大的误差不超过万分之一

那右图的表2是在同样指令下

电池电压从0.05伏到5伏时

输出电流的情况

随着电池电压的增加

实际电流只变化了两个毫安

测试过程中使用电子负载来模拟电池

那表格3是电压环的控制精度

测试前同样采用类似的方法

校准电压控制环

电压指令和实际电压之间误差小于0.5

那 PCB 的布板对设计电路的实现

以及控制精度以及可靠运行都非常关键

不好的 pcb 会产生大的开关噪声

可能将开关噪声引入模拟的控制电路

从而引起一系列的问题

pcb 布板一般从功率电路开始布起

因为这是噪声的源头

从减小噪声的角度来说

两个开关器件和高压侧

电流的环路越小越好

但是开关器件的温升要求也会对

开关器件的距离有限制

图中红色部分是

PCB LM5170 功率器件的

一个布板的示意图

那 LM5170 与功率电路的接口

连线同样非常重要

分为两个部分

一个是开关器件的驱动电路

一个是采样线的一个布线

驱动信号是干扰源

我们可以将驱动信号并行走线

减小对外的辐射和干扰

而采样线是容易受到干扰的线路

同样需要并行走线

尽量减小受到外部的干扰

最好能够用地线屏蔽

那在这里用开尔文连接方法

采样电阻面积一般比较大

但是电流采样上的点非常小

放在采样电路正下方的中心点

或者有些电路有专门的采样点

可以进行使用

这是 LM5170 附近的走线

这个是 LM5170 附近的走线

蓝色线为采样信号输入

和驱动走线的输出

以 IC 焊盘作为参考地

功率地单点接入这个参考地

大家更多的 Layout 的细节

可以去参考 LM5170

以及我们的几个参考设计

其中的实际的走线

这一小节的讲解就到此结束

谢谢大家