用于电池测试/化成系统的 低成本精密模拟前端和控制器 AD8451 产品特性 概述 自动切换的集成式恒流和恒压模式 充电和放电模式 精密电压和电流测量 集成精密控制反馈模块 PWM或线性功率转换器的精密接口 固定增益设置 电流检测增益：26 V/V(典型值) 电压检测增益：0.8 V/V(典型值) 出色的交流和直流性能 最大偏移电压漂移：0.9 µV/°C 最大增益漂移：3 ppm/°C 电流检测放大器输入电压噪声很低：9 nV/√Hz(典型值) 电流检测CMRR：108 dB(最小值) 兼容TTL逻辑 AD8451是一款用于电池测试和监控的精密模拟前端和控制 器。精密固定增益仪表放大器(IA)测量电池充电/放电电流， 而固定增益差动放大器(DA)测量电池电压(见图1)。内部激 光调整电阻网络设置IA和DA的增益，并在额定温度范围 内优化AD8451的性能。IA增益为26 V/V，DA增益为0.8 V/V。 ISET和VSET输入端的电压用来设置所需的恒定电流(CC)和 恒定电压(CV)。CC到CV自动无缝切换。 MODE管脚(TTL逻辑电平)用于选择充电模式或放电模式 (高电平为充电，低电平为放电)。模拟输出VCTRL直接与 ADI公司的ADP1972脉冲宽度调制(PWM)控制器对接。 AD8451通过提供出色的精度、性能(全温度范围内)、灵活 的功能以及整体可靠性来简化设计，并具有节省空间的封 装。AD8451采用80引脚、14 mm x 14 mm x 1.40 mm LQFP 封装，额定工作温度范围为−40°C至+85°C。 应用 电池化成和测试 电池模块测试 功能框图 ISREFH/ ISREFL ISMEA ISET IVE0/IVE1 VINT AD8451 ISVP MUX CONSTANT CURRENT LOOP FILTER 26 ISVN VCLP ×1 CURRENT SENSE IA VCTRL VCLN (CHARGE/ DISCHARGE) SWITCHING VOLTAGE SENSE DA BVP 0.8 CONSTANT VOLTAGE LOOP FILTER BVN BVREFH/ BVREFL BVMEA VSET VVE0/ VVE1 VVP0 VSETBF VINT VOLTAGE REFERENCE VREF 12137-001 MODE 图1. Rev. 0 Document Feedback Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 ©2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Technical Support www.analog.com ADI中文版数据手册是英文版数据手册的译文，敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误，ADI不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责。如需确认任何词语的准确性，请参考ADI提供 的最新英文版数据手册。 AD8451 目录 特性.................................................................................................. 1 应用.................................................................................................. 1 概述.................................................................................................. 1 功能框图 ......................................................................................... 1 修订历史 ......................................................................................... 2 技术规格 ......................................................................................... 3 绝对最大额定值............................................................................ 6 热阻 ............................................................................................ 6 ESD警告..................................................................................... 6 引脚配置和功能描述 ................................................................... 7 典型性能参数 ................................................................................ 9 IA特性 ........................................................................................ 9 DA特性 .................................................................................... 11 CC和CV环路滤波器放大器和VSET缓冲器 .................... 13 VINT缓冲器............................................................................ 15 基准电压源特性..................................................................... 16 工作原理 ....................................................................................... 17 概览 .......................................................................................... 17 仪表放大器(IA) ..................................................................... 18 差动放大器(DA) .................................................................... 19 CC和CV环路滤波器放大器................................................ 19 MODE引脚，充电和放电控制........................................... 21 应用信息 ....................................................................................... 22 功能描述.................................................................................. 22 电源连接.................................................................................. 23 电流检测IA连接 .................................................................... 23 电压检测DA连接................................................................... 23 电池电流和电压控制输入(ISET和VSET)......................... 23 环路滤波器放大器 ................................................................ 24 连接PWM控制器(VCTRL引脚) ......................................... 24 逐步设计示例 ......................................................................... 24 评估板 ........................................................................................... 26 简介 .......................................................................................... 26 特性和测试 ............................................................................. 26 评估AD8451............................................................................ 27 原理图和PCB布局图............................................................. 28 外形尺寸 ....................................................................................... 32 订购指南.................................................................................. 32 修订历史 2014年3月 — 修订版0：初始版 Rev. 0 | Page 2 of 32 AD8451 规格 除非另有说明，AVCC = +15 V，AVEE = −15 V；DVCC = +5 V；TA = 25°C。 表1. 参数 电流检测仪表放大器 内部固定增益 增益误差 增益漂移 增益非线性度 偏移电压(RTI) 偏移电压漂移 输入偏置电流 温度系数 输入失调电流 温度系数 输入共模电压范围 全温度范围 过压输入范围 差分输入阻抗 输入共模阻抗 输出电压摆幅 全温度范围 容性负载驱动 短路电流 基准输入电压范围 基准输入偏置电流 输出电压电平转换 最大值 比例因子 共模抑制比(CMRR) 温度系数 电源抑制比(PSRR) 电压噪声 峰峰值电压噪声 电流噪声 峰峰值电流噪声 小信号−3 dB带宽 压摆率 电压检测差动放大器 内部固定增益 增益误差 增益漂移 增益非线性度 偏移电压(RTO) 偏移电压漂移 差分输入电压范围 输入共模电压范围 差分输入阻抗 输入共模阻抗 输出电压摆幅 全温度范围 容性负载驱动 短路电流 测试条件/注释 VISMEA = ±10 V TA = TMIN至TMAX VISMEA = ±10 V、RL = 2 kΩ ISREFH和ISREFL引脚接地 TA = TMIN至TMAX 最小值 典型值 最大值 单位 26 V/V % ppm/°C ppm µV µV/°C nA pA/°C nA pA/°C V V V GΩ GΩ V V pF mA V µA −110 15 TA = TMIN至TMAX TA = TMIN至TMAX VISVP − VISVN = 0 V TA = TMIN至TMAX AVEE + 2.3 AVEE + 2.6 AVCC − 55 ±0.1 3 3 +110 0.9 30 150 2 10 AVCC − 2.4 AVCC − 2.6 AVEE + 55 150 150 TA = TMIN至TMAX AVEE + 1.5 AVEE + 1.7 AVCC − 1.2 AVCC − 1.4 1000 40 ISREFH和ISREFL引脚相连 VISVP = VISVN = 0 V ISREFL引脚接地 ISREFH引脚连接到VREF引脚 H VISMEA/VISREFH ∆V CM = 20 V TA = TMIN至TMAX ∆V S = 20 V f = 1 kHz f = 0.1 Hz至10 Hz f = 1 kHz f = 0.1 Hz至10 Hz AVEE AVCC 5 17 6.8 108 20 8 108 122 9 0.2 80 5 1.5 5 23 9.2 0.01 ∆V ISMEA = 10 V 0.8 VIN = ±10 V TA = TMIN至TMAX VBVMEA = ±10 V、RL = 2 kΩ BVREFH和BVREFL引脚接地 TA = TMIN至TMAX VBVN = 0 V、VBVREFL = 0 V VBVMEA = 0 V −16 −27 TA = TMIN至TMAX AVEE + 1.5 AVEE + 1.7 ±0.1 3 3 500 4 +16 +27 200 90 AVCC − 1.5 AVCC − 1.7 1000 30 Rev. 0 | Page 3 of 32 mV mV/V dB µV/V/°C dB nV/√Hz µV p-p fA/√Hz pA p-p MHz V/µs V/V % ppm/°C ppm µV µV/°C V V kΩ kΩ V V pF mA AD8451 参数 基准输入电压范围 输出电压电平转换 最大值 比例因子 CMRR 温度系数 PSRR 输出电压噪声 峰峰值电压噪声 小信号−3 dB带宽 压摆率 恒流和恒压 环路滤波器放大器 偏移电压 偏移电压漂移 输入偏置电流 全温度范围 输入共模电压范围 输出电压摆幅 全温度范围 闭环输出阻抗 容性负载驱动 源短路电流 吸短路电流 开环增益 CMRR PSRR 电压噪声 峰峰值电压噪声 电流噪声 峰峰值电流噪声 小信号增益带宽积 压摆率 CC至CV转换时间 VINT和恒压缓冲器 标称增益 偏移电压 偏移电压漂移 输入偏置电流 全温度范围 输入电压范围 输出电压摆幅 均流和恒压缓冲器 全温度范围 VINT缓冲器 全温度范围 输出箝位电压范围 VCLP引脚 VCLN引脚 闭环输出阻抗 容性负载驱动 短路电流 PSRR 测试条件/注释 BVREFH和BVREFL引脚相连 BVREFL引脚接地 BVREFH引脚连接到VREF引脚 VBVMEA/VBVREFH ΔVCM = 10 V，RTO TA = TMIN至TMAX ΔVS = 20 V，RTO f = 1 kHz、RTI f = 0.1 Hz至10 Hz，RTI TA = TMIN至TMAX TA = TMIN至TMAX VVCLN = AVEE + 1 V、VVCLP = AVCC − 1 V TA = TMIN至TMAX 最小值 AVEE 典型值 最大值 AVCC 单位 V 4.5 1.8 80 5 2 mV mV/V dB µV/V/°C dB nV/√Hz µV p-p MHz V/µs 5.5 2.2 0.05 100 105 2 1 0.8 150 0.6 +5 +5 AVCC − 1.8 AVCC − 1 AVCC − 1 −5 −5 AVEE + 1.5 AVEE + 1.5 AVEE + 1.7 0.01 1000 1 40 140 ∆V CM = 10 V ∆V S = 20 V f = 1 kHz f = 0.1 Hz至10 Hz f = 1 kHz f = 0.1 Hz至10 Hz 100 100 10 0.3 80 5 3 1 1.5 ∆V VINT = 10 V 1 TA = TMIN至TMAX 仅CV缓冲器 TA = TMIN至TMAX TA = TMIN至TMAX TA = TMIN至TMAX 仅VINT缓冲器 −5 −5 AVEE + 1.5 150 0.6 +5 +5 AVCC − 1.8 V/V µV µV/°C nA nA V AVEE + 1.5 AVEE + 1.7 VVCLN − 0.6 VVCLN − 0.6 AVCC − 1.5 AVCC − 1.5 VVCLP + 0.6 VVCLP + 0.6 V V V V VVCLN AVEE + 1 AVCC − 1 VVCLP V V Ω pF mA dB 1 1000 40 ∆V S = 20 V Rev. 0 | Page 4 of 32 µV µV/°C nA nA V V V Ω pF mA mA dB dB dB nV/√Hz µV p-p fA/√Hz pA p-p MHz V/µs µs 100 AD8451 参数 电压噪声 峰峰值电压噪声 电流噪声 峰峰值电流噪声 小信号−3 dB带宽 压摆率 基准电压源 标称输出电压 输出电压误差 温度漂移 电压调整率 负载调整率 输出电流(流出) 电压噪声 峰峰值电压噪声 数字接口、模式输入 输入高电压VIH 输入低电压VIL 模式切换时间 电源 工作电压范围 AVCC AVEE 模拟电源范围 DVCC 静态电流 AVCC AVEE DVCC 温度范围 额定性能 工作 测试条件/注释 f = 1 kHz f = 0.1 Hz至10 Hz f = 1 kHz，仅CV缓冲器 f = 0.1 Hz至10 Hz 最小值 ∆V OUT = 10 V 典型值 10 0.3 80 5 3 1 相对于AGND 2.5 ±1 10 40 400 10 TA = TMIN至TMAX ∆V S = 10 V ∆I VREF = 1 mA(仅源) f = 1 kHz f = 0.1 Hz至10 Hz MODE引脚(引脚39) 相对于DGND 相对于DGND 最大值 100 5 2.0 DGND AVCC − AVEE 7 6.5 40 −40 −55 Rev. 0 | Page 5 of 32 V % ppm/°C ppm/V ppm/mA mA nV/√Hz µV p-p DVCC 0.8 V V ns 36 0 36 5 V V V V 10 10 70 mA mA µA +85 +125 °C °C 500 5 −31 5 3 单位 nV/√Hz µV p-p fA/√Hz pA p-p MHz V/µs AD8451 绝对最大额定值 热阻 表2. 参数 模拟电源电压(AVCC − AVEE) 数字电源电压(DVCC − DGND) 任何输入引脚端的最大电压 任何输入引脚端的最小电压 工作温度范围 存储温度范围 θJA值的假设前提是一个密封型4层JEDEC标准板。 评分 36 V 36 V AVCC AVEE −40°C至+85°C −65°C至+150°C 表3. 热阻 封装类型 80引脚 LQFP 注意，等于或超出上述绝对最大额定值可能会导致产品永 久性损坏。这只是额定最值，并不能以这些条件或者在任 何其它超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下，推 断产品能否正常工作。长期在超出最大额定值条件下工作 会影响产品的可靠性。 θJA 54.7 单位 °C/W ESD警告 Rev. 0 | Page 6 of 32 ESD(静电放电)敏感器件。 带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽 管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高能量 ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的ESD 防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。 AD8451 NC NC NC ISREFLS ISREFL AGND ISREFH VREF AVEE ISMEA AVCC NC ISREFB ISET NC IVE0 IVE1 NC VINT AVEE 引脚配置和功能描述 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 ISVP 1 PIN 1 INDENTFIER RGP 2 60 VCLP 59 VCTRL NC 3 58 VCLN NC 4 57 AVCC NC 5 56 VINT NC 6 55 NC NC 7 54 VVE1 NC 8 53 VVE0 52 NC NC 9 AD8451 51 VVP0 TOP VIEW NC 11 50 VSETBF NC 12 49 VSET NC 13 48 NC NC 14 47 DVCC NC 15 46 NC NC 16 45 DGND NC 17 44 NC NC 18 43 NC 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 NC BVP NC VREF BVREFH AGND BVREFL BVREFLS NC BVN NC NC BVNS AVEE BVMEA AVCC MODE NC 41 NC NC 42 VREF ISVN 20 BVPS RGN 19 NC = NO CONNECT. DO NOT CONNECT TO THIS PIN. 12137-002 NC 10 图2. 引脚配置 表4. 引脚功能描述 引脚编号 1, 20 引脚名称 ISVP, ISVN 输入/输出1 输入 2, 19 RGP, RGN 3至18、21、23、25、31、 NC 33、34、40、41、43、44、 46、48、52、55、63、66、 69、78至80 22, 35 BVPS, BVNS 24, 32 BVP, BVN 26, 42, 73 VREF 27 BVREFH 输入 输入 输出 输入 28, 75 29 30 不适用 输入 输入 AGND BVREFL BVREFLS 不适用 不适用 说明 电流检测仪表放大器正(同相)和负 (反相)输入。接在分流电阻两端。 电流检测仪表放大器的前置放大器负输入。 不连接。请勿连接该引脚。 电压检测差动放大器输入BVP和BVN的开尔文检测引脚。 电压检测差动放大器输入。 基准电压输出引脚。VREF = 2.5 V。 电压检测差动放大器的基准输入。为使电压检测差动放大器的输出电平 偏移大约5 mV，应将此引脚连接到VREF引脚。其它情况下，应将此引脚 连接到BVREFL引脚。 模拟地引脚。 电压检测差动放大器的基准输入。默认接地。 BVREFL引脚的开尔文检测引脚。 Rev. 0 | Page 7 of 32 AD8451 引脚编号 36, 61, 72 37 38, 57, 70 39 45 47 49 50 51 53 54 56, 62 58 59 引脚名称 AVEE BVMEA AVCC MODE DGND DVCC VSET VSETBF VVP0 VVE0 VVE1 VINT VCLN VCTRL 输入/输出1 不适用 输出 不适用 输入 不适用 不适用 输入 输出 输入 输入 输入 输出 输入 输出 60 64 65 67 68 71 74 VCLP IVE1 IVE0 ISET ISREFB ISMEA ISREFH 输入 输入 输入 输入 输出 输出 输入 76 77 ISREFL ISREFLS 输入 输入 1 说明 负模拟电源引脚。默认电压为−15 V。 电压检测差动放大器输出。 正模拟电源引脚。默认电压为15 V。 TTL兼容逻辑输入选择充电或放电模式。低电平 = 放电，高电平 = 充电。 数字地引脚。 数字电源。默认电压为5 V。 电压检测控制环路的目标电压。 缓冲电压VSET。 放电模式电压检测积分器的同相输入。 放电模式电压检测积分器的反相输入电压。 充电模式电压检测积分器的反相输入。 电压检测和电流检测积分器放大器的最小输出。 VCTRL的低箝位电压。 控制器输出电压。此引脚连接到PWM控制器的输入(例如，ADP1972的COMP 引脚)。 VCTRL的高箝位电压。 充电模式电流检测积分器的反相输入。 放电模式电流检测积分器的反相输入。 电流检测控制环路的目标电压。 缓冲电压ISREFL。 电流检测仪表放大器输出。 电流检测放大器的基准输入。为使电流检测仪表放大器的输出电平偏移大 约20 mV，应将此引脚连接到VREF引脚。其它情况下，应将此引脚连接到ISREFL 引脚。 电流检测放大器的基准输入。默认接地。 ISREFL引脚的开尔文检测引脚。 N/A表示不适用。 Rev. 0 | Page 8 of 32 AD8451 典型性能参数 除非另有说明，AVCC = +15 V，AVEE = −15 V，TA = 25°C，RL = ∞。 30 20 25 15 20 15 10 5 0 −5 −10 −10 0 −5 15 10 5 OUTPUT VOLTAGE (V) 20 25 30 0 –5 –10 –15 15 10 10 0 –5 –10 10 15 20 AVCC = +15V AVEE = –15V 5 0 –5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 INPUT VOLTAGE (V) –15 –45 –40 –35 –30 –25 –20 –15 –10 –5 0 12137-004 –15 –35 –30 –25 –20 –15 –10 –5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 INPUT VOLTAGE (V) 图4. 输入过压性能(AVCC = +25 V，AVEE = −5 V) 12137-007 –10 AVCC = +25V AVEE = –5V 图7. 输入过压性能(AVCC = +15 V，AVEE =−15 V) 17.0 20 16.8 19 INPUT BIAS CURRENT (nA) 16.6 16.4 AVCC = +15V AVEE = –15V 16.2 16.0 AVCC = +25V AVEE = –5V 15.8 15.6 15.4 17 +IB 16 –IB 15 14 –10 –5 0 5 10 15 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) 20 25 12 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50 60 TEMPERATURE (°C) 图5. 输入偏置电流与输入共模电压的关系 图8. 输入偏置电流与温度的关系 Rev. 0 | Page 9 of 32 70 80 90 12137-008 15.0 –15 18 13 15.2 12137-005 INPUT BIAS CURRENT (nA) 5 图6. 输入共模电压与输出电压的关系(AVCC = +15 V，AVEE = −15 V) 15 5 0 –5 OUTPUT VOLTAGE (V) INPUT CURRENT (mA) INPUT CURRENT (mA) 图3. 输入共模电压与输出电压的关系(AVCC = +25 V，AVEE = −5 V) 5 AVCC = +15V AVEE = –15V –20 –20 –15 –10 12137-003 AVCC = +25V AVEE = −5V 10 12137-006 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) IA特性 AD8451 160 20 150 0 140 GAIN ERROR (µV/V) 130 CMRR (dB) –20 –40 –60 120 110 100 90 80 70 –80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 TEMPERATURE (°C) 50 0.1 12137-009 –100 –40 –30 –20 –10 1 100 1k 10k 100k FREQUENCY (Hz) 图12. CMRR与频率的关系 图9. 增益误差与温度的关系 0.3 10 12137-012 60 160 AVCC = +25V AVEE = –5V 140 0.2 120 AVCC PSRR (dB) CMRR (µV/V) 0.1 0 –0.1 100 80 AVEE 60 40 –0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 TEMPERATURE (°C) 0 12137-010 –0.3 –40 –30 –20 –10 1 10 100 100k 1M 10k 100k 图13. PSRR与频率的关系 50 30 20 10 0 10k 100 k FREQUENCY (Hz) 1M 10M 12137-011 −10 图11. 增益与频率的关系 RTI 10 1 0.1 1 10 100 1k FREQUENCY (Hz) 图14. 电压噪声(RTI)谱密度与频率的关系 Rev. 0 | Page 10 of 32 12137-014 SPECTRAL DENSITY VOLTAGE NOISE (nV/√Hz) 100 40 GAIN (dB) 10k FREQUENCY (Hz) 图10. 归一化CMRR与温度的关系 AVCC = +15V AVEE = −15V −20 1k 100 1k 12137-013 20 AD8451 50 50 40 40 30 20 10 0 –10 –20 –30 –40 –10 0 5 10 15 20 25 30 OUTPUT VOLTAGE (V) 10 0 –10 –20 –30 –50 –20 –10 0 GAIN ERROR (ppm) 50 –20 –30 –10 0 –5 5 10 15 20 –50 –100 10k 100k 1M FREQUENCY (Hz) –200 –40 –30 –20 –10 12137-016 20 30 40 50 60 70 80 90 图19. 增益误差与温度的关系 3 VALID FOR ALL RATED SUPPLY VOLTAGES 2 –40 1 CMRR (µV/V) –20 –60 0 –1 –100 –2 10k 100k FREQUENCY (Hz) 1M 12137-017 –80 1k 10 TEMPERATURE (°C) 图16. 增益与频率的关系 –120 100 0 图17. CMRR与频率的关系 –3 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50 60 TEMPERATURE (°C) 图20. 归一化CMRR与温度的关系 Rev. 0 | Page 11 of 32 70 80 90 12137-020 VALID FOR ALL RATED SUPPLY VOLTAGES –50 100 1k 12137-019 –150 –40 CMRR (dB) –15 图18. 输入共模电压与输出电压的关系(AVCC = +15 V，AVEE = −15 V) 0 0 AVCC = +15V AVEE = −15V OUTPUT VOLTAGE (V) 图15. 输入共模电压与输出电压的关系(AVCC = +25 V，AVEE = −5 V) GAIN (dB) 20 –40 AVCC = +25V AVEE = −5V –5 30 12137-018 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) 60 12137-015 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) DA特性 AD8451 –20 AVEE PSRR (dB) –40 –60 –80 AVCC –100 –120 VALID FOR ALL RATED SUPPLY VOLTAGES 10 100 1k 10k FREQUENCY (Hz) 100k 12137-021 –140 图21. PSRR与频率的关系 1k RTI 100 10 0.1 1 10 100 1k 10k FREQUENCY (Hz) 图22. 电压噪声(RTI)谱密度与频率的关系 Rev. 0 | Page 12 of 32 100k 12137-022 SPECTRAL DENSITY VOLTAGE NOISE (nV/√Hz) 0 AD8451 500 2.0 400 1.8 OUTPUT SOURCE CURRENT (mA) 300 AVCC = +25V AVEE = –5V 100 0 –100 –200 –300 1.6 1.4 1.0 0.6 0.4 –5 0 5 10 15 20 25 0 –40 –30 –20 –10 12137-023 –10 90 80 AVCC = +25V AVEE = –5V OPEN-LOOP GAIN (dB) 30 40 50 60 70 80 90 60 50 AVCC = +15V AVEE = –15V 30 120 –45.0 100 –67.5 PHASE 80 –90.0 –112.5 60 –135.0 40 GAIN 20 –157.5 0 –180.0 –20 –202.5 20 0 –15 –10 –5 0 5 10 15 20 25 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) 12137-024 10 –40 10 100 1k 10k 100k 1M –225.0 10M FREQUENCY (Hz) 图24. 输入偏置电流与输入共模电压的关系(两种电源电压组合) 图27. 开环增益和相位与频率的关系 100 160 80 140 120 CMRR (dB) 60 40 20 0 100 80 60 40 –20 20 –IB +IB 0 10 20 30 40 50 60 TEMPERATURE (°C) 70 80 90 12137-025 –40 –40 –30 –20 –10 CONSTANT CURRENT LOOP AND CONSTANT VOLTAGE LOOP FILTER AMPLIFIERS 0 10 100 1k 10k FREQUENCY (Hz) 图28. CMRR与频率的关系 图25. 输入偏置电流与温度的关系 Rev. 0 | Page 13 of 32 100k 1M 12137-027 INPUT BIAS CURRENT (pA) 20 图26. 输出源电流与温度的关系(两种电源电压组合) 100 INPUT BIAS CURRENT (nA) 10 TEMPERATURE (°C) 图23. 输入偏移电压与输入共模电压的关系 (两种电源电压组合) 70 0 12137-026 0.2 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) 40 AVCC = +15V AVEE = –15V 0.8 –400 –500 –15 AVCC = +25V AVEE = –5V 1.2 PHASE (Degrees) 200 AVCC = +15V AVEE = –15V CONSTANT CURRENT LOOP AND CONSTANT VOLTAGE LOOP AMPLIFIERS 12137-028 INPUT OFFSET VOLTAGE (µV) CC和CV环路滤波器放大器和VSET缓冲器 AD8451 1.5 140 120 1.0 +PSRR OUTPUT VOLTAGE (V) PSRR (dB) 100 80 60 –PSRR 40 AVCC = +15V AVEE = –15V 0.5 0 –0.5 –1.0 20 TRANSITION ISET 1k 10k 100k 1M FREQUENCY (Hz) 12137-029 100 –1.5 –15 10 100 FREQUENCY (Hz) 1k 10k 100k 12137-030 SPECTRAL DENSITY VOLTAGE NOISE (nV/√Hz) 100 10 0 5 10 15 图31. CC至CV转换 1k 1 –5 TIME (µs) 图29. PSRR与频率的关系 1 0.1 –10 图30. 运算放大器和缓冲器的电压噪声频谱密度范围与频率的关系 Rev. 0 | Page 14 of 32 20 25 30 35 12137-031 VCTRL 0 10 AD8451 VINT缓冲器 0.5 6 0.4 5 0.3 0.2 0.1 VCLP AND VCLN REFERENCE 0 VALID FOR ALL RATED SUPPLY VOLTAGES –0.1 4 OUTPUT VOLTAGE (V) –0.2 3 2 1 –0.3 VCTRL OUTPUT WITH RESPECT TO VCLN 10 20 30 40 50 60 70 80 90 TEMPERATURE (°C) –1 0 15 20 25 30 0.20 OUTPUT VOLTAGE (V) 5 TEMP = –40°C TEMP = +25°C TEMP = +85°C 0 –5 –10 VCLN 1k 0.10 0.05 0 –0.05 –0.10 –0.15 10k 100k 1M LOAD RESISTANCE (Ω) –0.20 12137-033 –15 100 40 CL = 10pF CL = 100pF CL = 510pF CL = 680pF CL = 1000pF 0.15 VCLP 10 35 图35. 大信号瞬变响应(RL = 2 kΩ，CL = 100 pF) 15 OUTPUT VOLTAGE SWING (V) 10 TIME (µs) 图32. 相对于VCLP和VCLN的输出电压摆幅与温度的关系 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 TIME (µs) 图36. 小信号瞬变响应与容性负载的关系 图33. 三个温度下输出电压摆幅与负载阻抗的关系 100 6 5 OUTPUT IMPEDANCE (Ω) VCLP 4 3 TEMP = –40°C TEMP = 0°C TEMP = +25°C TEMP = +85°C VIN = +6V/–1V 2 1 10 1 VCLN 0 –1 10 15 20 25 30 35 OUTPUT CURRENT (mA) 40 0.1 10 12137-034 CLAMPED OUTPUT VOLTAGE (V) 5 12137-036 0 12137-032 –0.5 –40 –30 –20 –10 12137-035 0 –0.4 100 1k 10k 100k FREQUENCY (Hz) 图34. 四个温度下箝位输出电压与输出电流的关系 图37. 输出阻抗与频率的关系 Rev. 0 | Page 15 of 32 1M 12137-037 OUTPUT VOLTAGE SWING (V) CL = 100pF RL = 2kΩ VCTRL OUTPUT WITH RESPECT TO VCLP AD8451 基准电压源特性 2.51 LOAD REGULATION (ppm/mA) 2.50 2.49 2.48 2.47 1100 1000 900 800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 OUTPUT CURRENT—SOURCING (mA) 600 –40 –30 –20 –10 SPECTRAL DENSITY VOLTAGE NOISE (nV/√Hz) AVCC = +25V AVEE = –5V 2.6 TA = +85°C TA = +25°C TA = 0°C TA = –20°C TA = –40°C –9 –8 –7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 0 OUTPUT CURRENT—SINKING (mA) 12137-039 OUTPUT VOLTAGE (V) 2.7 2.4 –10 20 30 40 50 60 70 80 90 图40. 源和吸负载调整率与温度的关系 2.8 2.5 10 TEMPERATURE (°C) 图38. 全温度范围内输出电压与输出电流(流出)的关系 2.9 0 12137-040 700 AVCC = +25V AVEE = –5V 12137-038 2.46 AVCC = +25V AVEE = –5V 1k 100 10 0.1 1 10 100 1k 10k FREQUENCY (Hz) 图41. 电压噪声频谱密度与频率的关系 图39. 全温度范围内输出电压与输出电流(流入)的关系 Rev. 0 | Page 16 of 32 100k 12137-041 OUTPUT VOLTAGE (V) 1200 TA = +85°C TA = +25°C TA = 0°C TA = –20°C TA = –40°C AD8451 工作原理 概述 AD8451提供两个可控制环路——CC环路和CV环路，电池 达到用户定义的目标电压之后，两个环路自动转换。这些 环路通过两个精密专用放大器实现，放大器带外部反馈网 络，用以设置CC和CV环路的传递函数。此外，AD8451中 的这些环路通过切换MODE引脚来重新配置自身，以便给 电池充电或放电。 为了化成和测试电池，电池必须经历充电和放电周期。在 这些周期中，必须精确控制电池端子的电流和电压，以防 电池失效或容量降低。因此，电池化成与测试系统需要高 精度模拟前端来监控电池电流和端子电压。AD8451的模拟 前端包括精密电流检测固定增益仪表放大器(IA)，用以测 量电池电流，以及精密电压检测固定增益差动放大器(DA)， 用以测量电池电压。 AVEE VINT NC IVE1 IVE0 NC ISET NC AVCC ISMEA AVEE VREF ISREFH AGND ISREFL ISREFLS NC 100kΩ 806Ω AVEE 57 56 54 53 – 9 10kΩ 10 1667Ω AVEE BATTERY CURRENT SENSING IA 52 VSET BUFFER + 10kΩ – 12 1× CONSTANT CURRENT AND VOLTAGE LOOP FILTER AMPLIFIERS 20kΩ 51 50 49 13 48 14 47 AD8451 46 15 10kΩ 16 18 + MODE 44 80kΩ 43 100Ω 42 25 26 27 28 29 30 31 32 33 图42. 详细框图 Rev. 0 | Page 17 of 32 34 35 36 37 38 39 VCLP VCTRL VCLN AVCC VINT NC VVE1 VVE0 NC VVP0 VSETBF VSET NC DVCC NC DGND NC NC VREF NC 40 NC 24 MODE 23 AVCC 22 BVMEA 21 41 AVEE 20 BVNS 19 – +/– 45 + – BATTERY VOLTAGE SENSING DA 17 NC ISVN 59 58 + 8 11 60 55 NC RGN 1× – BVN NC 61 62 100kΩ NC 63 64 CV LOOP FILTER AMPLIFIER NC NC 65 VINT BUFFER 7 BVREFLS NC 66 67 + BVREFL NC 68 CC LOOP FILTER AMPLIFIER AGND NC 69 ISREFL BUFFER AVCC BVREFH NC 70 6 100kΩ NC 71 1.1mA 79.9kΩ NC 72 50kΩ NC 73 10kΩ 5 VREF NC 74 4 NC NC + – 19.2kΩ NC 75 76 1× +/– BVP NC 77 MODE 3 NC NC 2 BVPS NC 78 2.5V VREF NC RGP 79 1 12137-042 80 ISVP NC NC 电池化成与测试系统利用恒流/恒压(CC/CV)算法给电池充 电和放电。换言之，系统首先强制电池流入或流出设定的 恒定电流，直至电池电压达到目标值为止。此时，电池端 子之间便实现了设定的恒定电压。 ISREFB 图42所示的AD8451的功能框图显示了AD8451的不同部 分，包括IA和DA测量模块以及环路滤波器放大器。图43所 示为电池化成与测试系统的框图。 AD8451 SET BATTERY CURRENT CONSTANT VOLTAGE LOOP FILTER AMPLIFIER ISET VINT BUFFER + – V1 1× CONSTANT CURRENT LOOP FILTER AMPLIFIER MODE SWITCHES (3) D IVE0 D C VVE0 DC VVE1 1× CV BUFFER IVE1 C VSETBF V2 POWER CONVERTER SWITCHED OR LINEAR + – VSET VVP0 SET BATTERY VOLTAGE VCTRL AVEE C = CHARGE D = DISCHARGE BATTERY CURRENT AD8451 CONTROLLER VINT ISVP + SENSE RESISTOR IA ISVN – ISMEA SYSTEM LOOP COMPENSATION BVP + BVMEA BATTERY DA BVN – 12137-043 EXTERNAL PASSIVE COMPENSATION NETWORK 图43. 采用AD8451的锂电池化成与测试系统的信号路径 仪表放大器(IA) +CURRENT SHUNT ISVP ± RGP 在CC控制环路中，如果目标电流的极性不反转，这种极性 反转可能会带来问题。为了解决这个问题，AD8451 IA的输 入端前置一个多路复用器，用以反转IA增益的极性。该多 路复用器由MODE引脚控制。当MODE引脚为逻辑高电平 时(充电模式)，IA增益不反转；当MODE引脚为逻辑低电 平时(放电模式)，IA增益反转。 10kΩ 19.2kΩ 806Ω ISREFL – 10kΩ G = 2 SUBTRACTOR + 1667Ω ISMEA – 充电和放电时的极性反转 图43显示，在充电周期中，电源转换器将电流馈入电池， 在电流检测电阻两端产生一个正电压。在放电周期中，电 源转换器从电池吸取电流，在检测电阻两端产生一个负电 压。换言之，当电池放电时，电池电流极性反转。 100kΩ ISREFH IA + 10kΩ RGN –CURRENT SHUNT ISVN – 10kΩ 20kΩ + ± POLARITY INVERTER MODE 12137-044 图44是IA的框图，它用于监控电池电流。IA采用经典的三 运放拓扑结构，与ADI公司的业界标准放大器AD8221和 AD620相似，固定增益为26。该架构可实现给定增益下的 最高可能CMRR，支持高端电池电流检测，而不会在测量 中引入明显的误差。有关仪表放大器的更多信息，请参阅 仪表放大器应用工程师指南。 VREF POLARITY INVERTER 图44. IA简化功能框图 IA偏移选项 如图44所示，IA基准电压节点通过内部电阻分压器连接到 ISREFL和ISREFH引脚。可以利用该电阻分压器给IA的输出 引入一个对温度不敏感的偏移，使得当差分输入为0时， IA输出始终是一个高于0的电压。由于IA的输出电压始终 是正值，因此可以利用单极性模数转换器(ADC)来将其数 字化。 Rev. 0 | Page 18 of 32 AD8451 当ISREFH引脚连接到VREF引脚且ISREFL引脚接地时， ISMEA引脚的电压增加20 mV，保证当差分输入为0时，IA输 出始终是正值。将ISREFH引脚连接到外部电压源，可以实 现其它电压偏移。从ISREFH引脚到ISMEA引脚的增益是 8 mV/V。对于零偏移，ISREFL和ISREFH引脚接地。 构成DA增益网络的电阻经过激光调整，匹配精度优于 ±0.1%。如此高的匹配度使得DA的增益误差和增益误差漂 移降至最低，而CMRR则达到最大。这种匹配还有助于控 制器设置在全温度范围内保持稳定的电池目标电压，同时 抑制电池负极的接地反弹。 电池反接和过压检测 像IA一样，DA也能通过连接到DA基准电压节点的内部电 阻分压器使其输出电压发生偏移。此电阻分压器连接到 BVREFH和BVREFL引脚。 AD8451 IA可以配置为高边或低边电流检测。如果IA配置为 高边电流检测(见图43)且电池反接，IA输入可以保持在低 于负供电轨(AVEE)的电压，具体大小视电池电压而定。 为防止IA在这些情况下受损，IA输入端内置过压保护电路， 它可以将输入保持在与相反供电轨最多相差55 V的电压。 换言之，IA输入的安全电压范围是AVCC − 55 V至AVEE + 55 V。 差动放大器(DA) 图45是DA的框图，它用于监控电池电压。DA的架构为一 个固定增益为0.8的减法器放大器。基准电压为4.096 V时， 该增益值允许DA将5 V电池的电压衰减到5 V ADC可读取的 水平。 BVP 100kΩ DA 79.9kΩ BVREFH VREF 80kΩ BVMEA 图45. DA简化功能框图 12137-045 – BVN 100kΩ CC和CV环路滤波器放大器 CC和CV环路滤波器放大器是高精度、低噪声专用放大器， 其偏移电压和输入偏置电流均非常低。这些放大器起到两 个作用： • 使用外部器件，这些放大器可实现有源环路滤波器来设 置CC和CV环路的动态特性(传递函数)。 • 电池达到目标电压之后，这些放大器执行从CC到CV模 式的无缝转换。 100kΩ BVREFL 50kΩ + 当BVREFH引脚连接到VREF引脚且BVREFL引脚接地时， BVMEA引脚的电压增加5 mV，保证当差分输入为0时，DA 输出始终是正值。将BVREFH引脚连接到外部电压源，可 以实现其它电压偏移。从BVREFH引脚到BVMEA引脚的增 益是2 mV/V。对于零偏移，BVREFL和BVREFH引脚接地。 图46是充电模式(MODE逻辑引脚为高电平)下AD8451 CC和 CV反馈环路的功能框图。作为示例，连接到环路放大器 的外部网络是简单的RC网络，用以构成单极反相积分器。 CC和CV环路滤波器放大器的输出端通过模拟NOR电路(最 小输出选择器电路)耦合到VINT引脚，使其只能下拉VINT 节点。换言之，该节点由需要最低VINT引脚电压的环路 放大器控制。因此，任意时间只有一个环路放大器(CC或 Rev. 0 | Page 19 of 32 AD8451 CURRENT POWER VCTRL BUS IOUT ISVP SENSE RESISTOR R1 V1 RS + VBAT – ISVN BVP BVN IA + GIA ISMEAS ISET IVE1 – DA + GDA – MODE 5V C1 – CC LOOP AMPLIFIER VSET VINT + ANALOG ‘NOR’ + MINIMUM OUTPUT SELECTOR – BVMEA POWER CONVERTER VVE1 CV LOOP AMPLIFIER VINT BUFFER VCLP 1× VCTRL VCLN V3 V4 VINT V3 < VCTRL < V4 V2 12137-046 IBAT C2 R2 图46. 充电模式(MODE引脚为高电平)下CC和CV环路的功能框图 1.00 其中： IBAT_SS为稳态充电电流。 GIA为IA增益。 RS为分流电阻的值。 0.75 3 0.50 2 0.25 1 CC CHARGE ENDS 0 0 0 1 2 3 4 5 TIME (Hours) 目标电压设置为： VBAT_SS = 4 VOLTAGE (V) VISET G IA × RS 5 TRANSITION FROM CC TO CV CC CHARGE BEGINS 12137-047 IBAT_SS = 1.25 CURRENT (A) 单 位 增 益 放 大 器 (VINT缓 冲 器 )缓 冲 VINT引 脚 并 驱 动 VCTRL引脚。VCTRL引脚是AD8451的控制输出和电源转 换器的控制输入。VISET和VVSET电压源分别设置目标恒定电 流和目标恒定电压。当CC和CV反馈环路处于稳定状态时， 充电电流设置为： 图47. 电池充电周期接近结束时恒流到恒压的代表性转换 VVSET G DA 其中： VBAT_SS为稳态电池电压。 GDA为DA增益。 环路放大器的偏移电压与目标电压源VISET和VVSET串 联，因此这些放大器的高精度可极大地降低此误差源。 图47显示了锂离子电池的典型CC/CV充电曲线。在充电过 程的第一阶段，电池以1 A的CC充电。当电池电压达到目标 电压4.2 V时，充电过程发生转换，电池以4.2 V的CV充电。 下列步骤说明AD8451如何实现CC/CV充电曲线(参见图46)。 本例中，电池以完全放电状态开始，系统刚刚开启，在时 间0时IBAT = 0 A。 2. 随着VINT节点电压提高，VCRTL节点电压上升，电源 转换器的输出电流IBAT提高(假设电源转换器的输出电流 随着VCRTL节点电压的提高而提高)。 3. 当IBAT_SS电流达到CC稳态值IBAT_SS时，电池电压仍然 低于目标稳态值VBAT_SS。因此，CV环路试图拉高VINT 节点，而CC环路则试图将其保持在当前电压。此时， ISMEA引脚的电压等于VISET，因此CC环路停止积分。 4. 由于模拟NOR电路，环路放大器只能拉低VINT节点， 因此CC环路获得对充电反馈环路的控制权，CV环路不 起作用。 5. 随着充电过程继续进行，电池电压一直提高，直至达到 稳态值VBAT_SS，并且BVMEA引脚的电压达到目标电压 VVSET。 1. 在时间0时，ISMEA和BVMEA引脚的电压低于目标电压 (VISET和VVSET)，因此两个积分器均开始缓慢上升，提高 VINT节点的电压。 Rev. 0 | Page 20 of 32 AD8451 6. CV环路试图拉低VINT节点以降低充电电流(IBAT)，防止 电池电压进一步上升。与此同时，CC环路试图将VINT 节点保持在其当前电压，以使电池电流保持在IBAT_SS。 7. 由于模拟NOR电路，环路放大器只能拉低VINT节点， 因此CV环路获得对充电反馈环路的控制权，CC环路不 起作用。 与使用无源接地网络进行频率补偿的简单控制器不同， AD8451允许将反馈网络用于CC和CV环路滤波器放大器。 这些网络支持实现比例-微分器(PD) Type II和比例-积分-微 分器(PID) Type III补偿器。注意，在充电模式下，CC和CV 环路均实现反相补偿器，而在放电模式下，CC环路实现反 相补偿器，CV环路实现同相补偿器。因此，放电模式下 的CV环路包括一个额外的放大器(VSET缓冲器)，用以缓 冲反馈网络中的VSET节点(参见图48)。 模拟NOR(最小输出选择器)电路耦合到环路放大器的输出 端，并经过优化以使CC到CV控制转换的时间最短。电池 电压达到目标值后，转换的任何延迟都会导致CC环路继续 控制充电反馈环路。因此，电池电压将继续上升到VBAT_ SS以上，直至控制环路发生转换为止；也就是说，电池电 压会超过目标电压。当CV环路控制充电反馈环路时，电 池电压会降低到目标电压。转换延迟引起的电池电压大幅 过冲会损坏电池，因此，实现CC到CV快速转换以最大程 度地减少延迟至关重要。 VINT缓冲器 单位增益放大器(VINT缓冲器)是一个箝位放大器，用以驱 动VCTRL引脚。VCTRL引脚是AD8451的控制输出和电源 转换器的控制输入(参见图46和图48)。此放大器的输出电 压范围受VCLP和VCLN引脚的箝位电压限制： VVCLN − 0.5 V < VVCTRL < VVCLP + 0.5 V 放大器输出电压范围的缩小是一个安全特性，它使得 AD8451能够驱动ADP1972 PWM控制器等器件，后者的输 入电压范围不得超过5.5 V(即ADP1972 COMP引脚的电压必 须低于5.5 V)。 图48是放电模式(MODE逻辑引脚为低电平)下AD8451 CC和 CV反馈环路的功能框图。放电模式下，反馈环路的工作 方式与充电模式相似。唯一的区别是CV环路放大器，它 在放电模式下用作同相积分器。作为示例，连接到环路放 大器的外部网络是简单的RC网络，用以构成单极积分器 (参见图48)。 MODE引脚，充电和放电控制 MODE引脚是一个TTL逻辑输入，用以将AD8451配置为充 电或放电模式。逻辑低电平(VMODE < 0.8 V)对应于放电模式， 逻辑高电平(VMODE > 2 V)对应于充电模式。在AD8451内部， MODE引脚可切换CC和CV环路放大器中的所有单刀双掷 (SPDT)开关并反转IA的增益极性。 补偿 在电池化成与测试系统中，CC和CV反馈环路的开环增益 和交越频率明显不同，因此，各环路需要自己的频率补偿。 AD8451 CC和CV环路采用有源滤波器架构，因而各环路的 频率响应可通过外部器件独立设置。此外，CC和CV放大 器内置开关，因此充电模式下环路的频率响应不影响放电 模式下环路的频率响应。 CURRENT POWER VCTRL BUS IOUT + VBAT – RS ISVN BVP BVN MODE IA ISMEAS + GIA ISET IVE0 – DA + GDA VSET BUFFER – BVMEA – VSETBF VVP0 CC LOOP AMPLIFIER POWER CONVERTER VINT + ANALOG ‘NOR’ + MINIMUM OUTPUT SELECTOR – 1× VSET C1 VVE0 CV LOOP AMPLIFIER VINT BUFFER VCLP 1× VCTRL VCLN V3 V4 VINT V3 < VCTRL < V4 V2 R2 R2 C2 C2 图48. 放电模式(MODE引脚为低电平)下CC和CV环路的功能框图 Rev. 0 | Page 21 of 32 12137-048 ISVP SENSE RESISTOR R1 V1 IBAT AD8451 应用信息 本部分说明在电池化成与测试系统中如何使用AD8451。本 部分包括一个实际系统的小型模型设计示例。 功能描述 AD8451是一款用于电池化成与测试系统的精密模拟前端和 控制器。此类系统利用精密控制器和功率级使电池经历充 电和放电周期。图49显示了一个采用AD8451控制器和 ADP1972 PWM控制器的简化开关电池化成与测试系统的信 号路径。有关ADP1972的更多信息，参见ADP1972数据手册。 AD8451适用于NiCad、NiMH和Li-Ion电池化成与测试系 统，可配合线性和开关功率级工作。 AD8451包括以下模块(更多信息参见图42和“工作原理” 部分)： • 两个环路滤波器误差放大器，用于接收电池目标电流和 电压，并确定CC和CV反馈环路的动态特性。 • 最小输出选择器电路，它将环路滤波器误差放大器的输 出合并以执行CC到CV自动切换。 • 输出箝位放大器，用于驱动VCTRL引脚。此放大器的电 压范围受VCLP和VCLN引脚的电压限制，不能超过下一 级的范围。输出箝位放大器可以驱动开关和线性电源转 换器。注意，VCTRL引脚的电压提高时，电源转换器的 输出电流也必须增大。 • 2.5 V基准电压源的输出节点是VREF引脚。 逻辑输入引脚(MODE)，用于将控制器的配置从充电模式 变为放电模式。MODE引脚为逻辑高电平时，配置充电模 式；逻辑低电平则配置放电模式。 • 固定增益IA，检测低端或高端电池电流。 • 固定增益DA，测量电池的端电压。 SET BATTERY CURRENT ISET CONSTANT VOLTAGE LOOP FILTER AMPLIFIER 1× CONSTANT CURRENT LOOP FILTER AMPLIFIER IVE0 IVE1 ADP1972 PWM LEVEL SHIFTER OUTPUT FILTER OUTPUT DRIVERS DC-TO-DC POWER CONVERTER MODE SWITCHES (3) D DC VVE0 VVE1 DC VVP0 C 1× CV BUFFER VCTRL + – VSET VSETBF AVEE C = CHARGE D = DISCHARGE BATTERY CURRENT AD8451 CONTROLLER VINT ISVP + IA – ISVN SENSE RESISTOR ISMEA BVMEA + DA EXTERNAL PASSIVE COMPENSATION NETWORK – BVP BATTERY BVN 12137-049 SET BATTERY VOLTAGE AVCC VINT BUFFER + – 图49. 适合锂离子电池的电池测试或化成系统的完整信号路径 Rev. 0 | Page 22 of 32 AD8451 电源连接 可选低通滤波器 AD8451需要两个模拟电源(AVCC和AVEE)、一个数字电源 (DVCC)、一个模拟地(AGND)和一个数字地(DGND)。 AVCC和AVEE为所有模拟模块供电，包括IA、DA和运算 放大器，而DVCC则为MODE输入逻辑供电。AGND为2.5 V 基准电压源提供一个参考和返回路径，DGND为数字电路 提供一个参考和返回路径。 AD8451既能控制线性稳压器，也能控制开关电源转换器。 线性稳压器一般无噪声，开关模式电源转换器则会产生开 关噪声。在电流传感器与IA输入端之间外接一个差分低通 滤波器可以降低注入IA的开关噪声(参见图50)。 ISVP 常用电源组合是AVCC为+15 V，AVEE为−15 V，DVCC为+5 V。 +15 V AVCC电轨为IA提供足够大的裕量，使其可以用于高 端电流检测配置。−15 V AVEE电轨允许DA检测电池意外反接状 况(参见“电池反接状况”部分)。 所有电源引脚都要连接去耦电容。建议使用1 μF电容和0.1 μF 电容的并联组合。 – IBAT AVCC − AVEE的绝对最大额定值为36 V，AVCC和AVEE的最 小工作电压分别为+5 V和−5 V。由于AD8451模拟模块具有 高PSRR，因此AVCC可以直接连到高电流电源总线(电源转 换器的输入电压)，高PSRR可防止电源噪声注入控制器输 出。 + 4 TERMINAL SHUNT 10kΩ 20kΩ + 1667Ω LPF DUT 10kΩ RGN ISVN – – 10kΩ 10kΩ + 20kΩ 12137-050 RGP 图50. 4端子分流电阻连接到电流检测IA 电压检测DA连接 关于DA的说明，参见“工作原理”部分、图42和图45。DA 固定增益为0.8。 电池反接状况 关于IA的说明，参见“工作原理”部分、图42和图44。IA固 定增益为26。 AD8451 DA的输出电压可用来检测电池反接状况。当电池 反接时，−15 V AVEE电轨可使DA的输出低于地。因此，通 过监控BVMEA引脚的电压是否为负值，即可知道是否反接。 电流传感器 电池电流和电压控制输入(ISET和VSET) 电流传感器有两个常见选择：隔离电流检测传感器和分流 电阻。隔离电流检测传感器与电源转换器电流隔离，受开 关模式电源产生的高频噪声的影响较小。分流电阻则更便 宜，易于使用。 ISET和VSET输入引脚的电压用来设置CC和CV环路的电池 目标电流和电压。这些输入必须由精密电压源(或连接到精 密基准电压源的数模转换器[DAC])驱动，其输出电压参考 的 电 压 与 IA和 DA基 准 引 脚 (分 别 是 ISREFH/ISREFL和 BVREFH/BVREFL)参考的电压相同。例如，若IA基准引脚 连接到AGND，则连接到ISET的电压源也必须参考AGND。 同样，若DA基准引脚连接到AGND，则连接到VSET的电 压源也必须参考AGND。 电流检测IA连接 如果使用分流电阻传感器，建议使用4端子低阻值分流电 阻，其中两个端子导通电池电流，另外两个端子几乎不导 通电流。不导通电流的端子是检测端子，利用AD8451的IA 等放大器来测量电阻上的压降(从而得到流经其中的电 流)。为实现IA与电流传感器对接，应将传感器的检测端子 连接到AD8451的ISVP和ISVN引脚(参见图50)。 在恒流模式下，当CC反馈环路处于稳态时，ISET输入将电 池电流设置为： IBAT_SS = VISET V = ISET G IA × RS 26 × RS 其中： GIA为IA增益。 RS为分流电阻的值。 Rev. 0 | Page 23 of 32 AD8451 在恒压模式下，当CV反馈环路处于稳态时，VSET输入将 电池电压设置为： VBAT_SS = VVSET V = VSET 0. 8 G DA 逐步设计示例 其中，GDA为DA增益。 因此，电池化成与测试系统的精度和温度稳定性不仅取决 于AD8451的精度，还取决于ISET和VSET输入的精度。 环路滤波器放大器 AD8451有两个环路滤波器放大器，也称为误差放大器(参 见图49)。一个放大器用于恒流控制(CC环路滤波器放大器)， 另一个放大器用于恒压控制(CV环路滤波器放大器)。这些 放大器的输出通过最小输出选择器电路合并，以便执行CC 到CV自动切换。 表5列出了充电模式和放电模式下环路滤波器放大器的输入。 表5. 积分器输入连接 反馈环路功能 控制电池放电时的电流 控制电池充电时的电流 控制电池放电时的电压 控制电池充电时的电压 考虑到AD8451的架构，控制器要求VCTRL引脚的电压提 高时，电源转换器的输出电流也必须增大。若非如此，可 在AD8451输出端串联一个单位增益反相放大器，以增加额 外的反转。 基准输入 ISET ISET VSET VSET 反馈引脚 IVE0 IVE1 VVE0 VVE1 充电模式下的CC和CV放大器以及放电模式下的CC放大器 是反相积分器，放电模式下的CV放大器则是同相积分器。 因此，放电模式下的CV放大器使用一个额外的放大器 (VSET缓冲器)来缓冲VSET输入引脚(参见图42)。此外，放 电模式下的CV放大器使用VVP0引脚将BVMEA引脚的信号 耦合到积分器。 本部分说明采用AD8451控制器和ADP1972 PWM控制器的1 A电池充电器/放电器的系统化设计。本设计采用的电源转 换器是一个非隔离式降压升压DC-DC转换器。目标电池是 4.2 V完全充电、2.7 V完全放电的锂离子电池。 第一步：设计开关电源转换器 选择降压升压电源转换器的开关和无源器件以支持最大1 A 的电池电流。电源转换器的设计超出了本数据手册的范围， 集成驱动器电路和功率MOSFET输出器件制造商提供了许 多应用笔记和其它有用文件可供参考。 第二步：确定ADP1972的控制电压范围 ADP1972的控制电压范围(COMP输入引脚的电压范围)是 0.5 V到4.5 V。4.5 V的输入电压产生最高占空比和输出电流， 而0.5 V的输入电压则产生最低占空比和输出电流。由于 COMP引脚直接连到AD8451的VCTRL输出引脚，因此电池 电流与VCTRL引脚电压成正比。 有关ADP1972与电源转换器开关如何接口的信息，参见 ADP1972数据手册。 第三步：确定CV环路的控制电压 CV环路的控制电压(VSET引脚的电压)、电池目标电压和 DA增益之间具有如下关系： CV Battery Target Voltage = 连接PWM控制器(VCTRL引脚) AD8451的 VCTRL输 出 引 脚 专 为 与 线 性 电 源 转 换 器 和 ADP1972等PWM控制器对接而设计。VCTRL输出引脚的 电压范围受VCLP和VCLN引脚的电压限制： VVSET VVSET = G DA 0.8 充电模式下，CV电池目标电压为4.2 V时，选择3.36 V的CV 控制电压。放电模式下，CV电池目标电压为2.7 V时，选择 2.16 V的CV控制电压。 VVCLN − 0.5 V < VVCTRL < VVCLP + 0.5 V ADP1972 COMP引脚的最大额定输入电压为5.5 V，因此应 将输出放大器的箝位电压连接到5 V (VCLP)和地(VCLN)， 防止COMP输入超范围。作为额外的防护措施，可将一个 外部5.1 V齐纳二极管连接在COMP引脚与地之间，并在 VCTRL与COMP引脚之间连接一个1 kΩ串联电阻。欲了解 其它应用信息，请参阅ADP1972数据手册。 Rev. 0 | Page 24 of 32 AD8451 第四步：确定CC环路和分流电阻的控制电压 第五步：选择控制电压源 CC环路的控制电压(ISET引脚的电压)、电池目标电流和IA 增益之间具有如下关系： 输入控制电压(ISET和VSET引脚的电压)可以通过基准电压 源等模拟电压源产生，或通过DAC产生。两种情况下均应 选择能够提供稳定的低噪声输出电压的器件。如果偏好 DAC， ADI公 司 有 各 种 精 密 转 换 器 可 供 选 用 。 例 如 ， AD5668 16位DAC连接一个外部2 V基准电压源时，最多可 提供8路0 V到4 V电压源。 CC Battery Target Current = VISET V = ISET G IA × RS 26 × RS 分流电阻上的电压计算如下： Shunt Resistor Voltage = VISET VISET = G IA 26 目标电流为1 A时，选择20 mΩ分流电阻将得到4 V控制电压。 选择分流电阻时，应考虑电阻样式和结构。对于低功耗应 用，有许多温度稳定型SMD式电阻可焊接到印刷电路板 (PCB)的散热焊盘上。为获得最高精度，应选择具有驱动 和检测端子的分流电阻。对于此类电阻，电池电流流过驱 动端子，电阻的压降在检测端子上读取。 为使精度最高，控制电压源与IA和DA的输出必须参考相 同的电位。例如，若IA和DA基准引脚连接到AGND，则控 制电压源的基准引脚也应连接到AGND。 第六步：选择补偿器件 反馈控制的开关电源转换器需要频率补偿来保证环路稳定 性。关于此类电源转换器的补偿设计，有许多资料可供参 考。AD8451为CC和CV控制环路提供了有源环路滤波器误 差放大器，可利用外部无源器件来实现比例-积分(PI)、PD 和PID补偿器。 Rev. 0 | Page 25 of 32 AD8451 评估板 简介 特性和测试 AD8451-EVALZ评估板是一个方便的独立平台，用于评估 AD8451的主要器件，无论是作为单独器件使用，还是连接 至电池测试/形成系统。 SMA连接器可将输入电压输入到灵敏仪表(IA)和差动(DA) 放大器。ISVP和ISVN连接器为IA输入，BVP和BVN为DA 输入。这些输入可接受电池电流和电压测量源或精密直流 电压源的直流电压。SMA连接器ISET和VSET可用于CC或 CV电池充电电压的精密直流控制电压。SMA ISREFLO可将 一个非零基准电压施加至IA。SMA VCTRL连接至DC-DC电 源转换器的输入端，如图52所示。提供方便的测试环路， 以连接示波器探头或仪器的其余输入/输出端。 对 于 后 者 ， AD8451-EVALZ的 操 作 与 其 在 集 成 PWM和 DC-DC电源转换器的系统时相同，只需将系统电流和电压 检测电压直接连接到电路板端子即可。使用无源补偿器件 设置或评估环路补偿时使用此功能。图51为AD8451-EVALZ 的照片。 12137-051 MODE开关选择充电或放电选项。图52为AD8451-EVALZ 的原理图。表6列出并描述了各种开关及功能。 图51. AD8451-EVALZ的照片 Rev. 0 | Page 26 of 32 AD8451 表6. AD8451-EVALZ测试开关及功能 开关 MODE RUN_TEST1 RUN_TEST2 ISREF_HI ISREF_LO 功能 选择充电或放电模式。 选择用户输入或AD8451 2.5 V基准 电压。 测试CC或CV环路滤波器放大器。 操作 MODE开关选择CHG(逻辑高电平)或DISCH(逻辑低电平)。 当RUN_TEST1开关处于RUN位置时，AD8451正常工作。当其处于TEST 位置时，在ISET和VSET输入端施加2.5 V。 当RUN_TEST1处于RUN位置时，VCTRL输出端(TPVCTRL)所有位置的电压 均为0。当RUN_TEST1处于TEST位置时，电压为2.5 V。 处于2.5 V位置时，ISREF_HI开关连接引脚74(ISREFH，内部100 kΩ电 阻)至引脚73(VREF，2.5 V基准电压)。当ISREF_LO开关处于NORM位置 时，引脚71 (ISMEA)的输出端正移20 mV。 ISREF_HI开关连接引脚74 (ISREFH) 至2.5 V内部基准电压(2.5位置)，或 至SMA连接器EXT(用户定义VREF 输入的外部输入端)。 连接引脚76 (ISREFL)至地(NORM)， 处于NORM位置且ISREF_HI开关处于EXT位置时，ISMEA输出端未施 或连接至ISREFL SMA输入连接器。 加任何偏移。处于EXT位置时，选定ISREFLO SMA。 评估AD8451 测试仪表放大器 连接TPISVN跳线至地，然后施加100 mV直流至TPISVP。测 量TPISMEA输出端的电压为2.6 V。计算增益前，从输出读 数中减去偏移电压。 IMEAS输出端20 mV偏移 使用另一根跳线和任意一条方便的黑色测试环路将TPISVP 至TPISVN的跳线连接至地。 测量TPISMEA输出端为0 V ± 2.86 mV(也就是IA残余偏移电 压乘以增益)。将ISREFLO开关移到EXT位置，并将ISREFHI 开关移到20 mV (EXT)位置。输出将随之提高20 mV。 测试差动放大器 在接头GND_BVN处插入短路跳线。在TPBVP端施加1 V直流 电压，然后测量TPBVMEA端的电压为0.8 V。如需获得最精确 的增益测量结果，可在计算增益前从输出电压中减去偏移 电压。 BVMEAS输出端5 mV偏移 在 G N D _ BV P 和 G N D _ BV N 接 头 中 插 入 跳 线 。 测 量 TPBVMEA输出端为0 V ± 0.4mV(也就是DA残余偏移电压乘 以增益)。在TPBREFH和TP2.5V之间连接一根跳线。输出 将随之提高5 mV。 默认位置 CHG RUN RUN EXT NORM 注 意 图 52中 原 理 图 右 侧 所 示 的 四 个 补 偿 网 络 —— CC-CHARGE、CC- DISCHARGE、CV-CHARGE和CV-DISCHARGE。为了便于定位这些器件，原理图中显示这四个 网络在AD8451-EVALZ PCB上的近似图(见图52)。每个器件 的位置均支持标准1206尺寸的表贴芯片电阻和电容或通过 遍布SM的通孔插入TP对的引线器件。如果在多项环路测 试中首选引线器件，则TP通孔也能兼容常见的0.025”测试 引脚。 器件发货时，通过电阻将反馈电容替换成反相输入，然后 移除IA和DA输出端的直流耦合电阻，便可将CC和CV环路 放大器滤波器配置为电压跟随器。反馈环路必须重新配 置，以闭合环路，从而用作精密反馈环路。 环路补偿要求具备输出DC-DC电源转换器相关知识。默认 情况下，假定AD8451通常与开关转换器配合使用。这一开 关转换器设计架构涉及的知识范围与深度都较为广泛，而 本数据手册无法在此全面讨论此类转换器的所有类型和 型号。 当电源转换器的电路和器件明细已知时，可计算环路参数 和器件，以及实现环路补偿所需的值。 CC和CV积分器测试 由于环路为比例-积分(PI)型，因此需要在IA和DA放大器与 CC和CV环路放大器的误差输入之间建立直接直流路径。 在R1、R6、R7、R11和R12位置安装这些电阻。 开关RUN_TEST1和RUN_TEST2可用于设置测试积分器所 需的电路条件。RUN_TEST1断开外部输入ISET和VSET的 连接，然后向CC和CV同步施加基准电压源的2.5 V直流电压。 同样，必须通过使用适当的电容替换C6、C10、C11、C19 和C24的0 Ω电容的方式重新配置CC和CV放大器，使其从 电压跟随器变为积分器。 RUN_TEST2有三个位置：RUN、TEST_CC和TEST_CV。 环路补偿 AD8451-EVALZ适合用作系统环路补偿实验的测试平台。 然而，在系统中安装平台之前，需要改变器件。 Rev. 0 | Page 27 of 32 AD8451 原理图和PCB布局图 图52. AD8451-EVALZ原理图 Rev. 0 | Page 28 of 32 12137-053 AD8451 12137-054 图53. AD8451-EVALZ顶层丝网图 图54. AD8451-EVALZ顶层走线图 Rev. 0 | Page 29 of 32 12137-055 AD8451 12137-056 图55. AD8451-EVALZ底层走线图 图56. AD8451-EVALZ电源层 Rev. 0 | Page 30 of 32 12137-057 AD8451 图57. AD8451-EVALZ接地层 Rev. 0 | Page 31 of 32 AD8451 外形尺寸 0.75 0.60 0.45 16.20 16.00 SQ 15.80 1.60 MAX 61 80 60 1 PIN 1 14.20 14.00 SQ 13.80 TOP VIEW (PINS DOWN) 0.15 0.05 SEATING PLANE 0.20 0.09 7° 3.5° 0° 0.10 COPLANARITY 20 41 40 21 VIEW A VIEW A ROTATED 90° CCW 0.65 BSC LEAD PITCH 0.38 0.32 0.22 051706-A 1.45 1.40 1.35 COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MS-026-BEC 图58. 80引脚薄型四方扁平封装[LQFP] (ST-80-2) 图示尺寸单位：mm 订购指南 型号1 AD8451ASTZ AD8451ASTZ-RL AD8451-EVALZ 1 温度范围 −40°C至+85°C −40°C至+85°C 封装描述 80引脚 LQFP 80引脚 LQFP 评估板 Z = 符合RoHS标准的器件。 ©2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. D12137sc-0-3/14(0) Rev. 0 | Page 32 of 32 封装选项 ST-80-2 ST-80-2