Сигма-дельта АЦП в устройствах контроля состояния батарей

    Применение литиевых ионных элементов питания в портативной аппаратуре обуславливается прежде всего их характеристиками: большой ёмкостью, лёгкостью, малыми габаритами, возможностью подзарядки. В таких устройствах требуется наличие системы контроля состояния батареи, определяющей степень её разряда в процессе использования, и время, оставшееся до подзарядки. В процессе заряда батареи необходимо тщательно контролировать зарядный ток и напряжение, что позволит избежать чрезмерного перезаряда батареи, отри-цательно сказывающегося на продолжительности её жизни.

    Режимы заряда или разряда батареи определяются с помощью величины C. Эта величина соответствует току, численно равному значению ёмкости батареи. Таким образом, для батареи ёмкостью 1 Ач, величина C равна 1 А. Обычно для зарядки перезаряжаемых батарей используется ток, равный 0,1C, а сам процесс занимает 16 часов. При таком режиме токи заряда достаточно малы, и превышение положенного времени заряда батареи не приведет к необратимым изменениям в ней. В современной аппаратуре время перезарядки 16–20 часов неприемлемо, поэтому здесь применяются специальные режимы быстрого заряда, при которых ток заряда доходит до 4C, а сам процесс занимает не более 1 часа.

    Быстрые методы зарядки аккумулятора используют столь большие токи заряда для того, чтобы добиться восстановления состояния батареи за минимально короткое время. При наличии таких больших токов тре-уется специальная система, предотвращающая повреждение батареи. В устройствах, содержащих систему контроля состояния батареи, таких как портативные компьютеры, ток зарядки и разрядки должен контролироваться с высокой точностью. Чтобы быть уверенным, что батарея находится в рабочем состоянии и способна обеспечить заявленное время работы устройства, необходимо контролировать напряжение каждой отдельной ячейки батареи. Напряжение также должно измеряться и в процессе заряда. Аналогичным образом необходимо контролировать токи заряда и разряда, что позволяет организовать удобную индикацию состояния батареи и предотвратить её чрезмерный заряд.

Рисунок. Устройство контроля состояния батареи на основе сигма-дельта АЦП AD7705

    На рисунке показана структурная схема устройства контроля состояния батареи, включающая сигма-дельта АЦП AD7705, необходимые стабилизаторы напряжения и внешний мультиплексор, используемый для дифференциального измерения напряжения на отдельных ячейках батареи питания.

    Два четырёхпозиционных ключа ADG452 конфигурации SPST обра-зуют входной дифференциальный мультиплексор. Положение переключателей на рисунке соответствует режиму измерения напряжения на ячейке 1. Низкое проходное сопротивление этих переключателей во включённом состоянии снижает погрешность измерения напряжения. Резисторы R6, R7 и R2 – R5 образуют резистивные делители, позволяющие целиком использовать динамический диапазон АЦП и максимизировать отношение сигнал/шум. Наличие двух аналоговых каналов требуется для обеспечения одновременного контроля напряжения и тока в системе. В указанной схеме канал 1 используется для контроля напряжения ячеек, а канал 2 контролирует ток заряда и разряда за счёт измерения падения напряжения на резисторе Rsense. В канале измерения напряжения ячеек 15-разрядная разрешающая способность может быть достигнута при частоте оцифровки от 1 до 50 Гц. Для данного устройства требуется высокая разрешающая способность АЦП, так как это позволяет снизить номинал резистора Rsense и избежать дополнительного рассеяния тепла. Другим ключевым требованием является способность АЦП правильно работать с биполярными сигналами, так как напряжение на резисторе должно измеряться как в режиме заряда, так и в режиме разряда батареи. При работе в безбуферном режиме с запрограммированным усилением 128, сигнал с максимальным размахом ±9,57 мВ может быть измерен с разрешающей способностью 12 разрядов.

Analog Devices Application Note