AN201 - MP279x ADC 校准指南

应用说明

By Garvin Wang

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摘要

MP279x电池监控器系列（包括MP2787 、 MP2790 、 MP2791 、 MP2796和MP2797）支持对单电池电压和电池组电流进行ADC (模数转换器)采样。

电池电压和电池组电流一般通过工厂校准，其校准精度可以在各器件相应的数据手册中获取，但通过系统级校准可以实现更高的精度。本文将对ADC校准进行介绍，包括参数说明和校准指南。

简介

MP279x电池监控器系列（包括MP2787 、 MP2790 、 MP2791 、 MP2796和MP2797 ）支持对单电池电压和电池组电流进行ADC采样。其电池电压校准通过比较实际电池电压与测量电压，确定系统微控制器 (MCU) 可以使用的校正系数，从而提高测量精度。该校准基于单电池电压增益的校准过程。

电池组电流ADC校准则通过测量SRP和SRN引脚间电流采样电阻（分流器）两端的电压，从而确定电池组电流。该校准需首先确定偏移量，再计算ADC电流增益。

校准

电池电压校准过程

电池电压校准依赖于电池电压的测量增益。可遵循以下步骤进行电池电压校准：

在器件C0和C1引脚之间施加已知电池电压(V_CELL, 约为 4000mV)。
通过MCU在寄存器0x99 [0]中写入 1 ，以启动高分辨率扫描；
读取寄存器0x99 [1]；如果0x99 bit[0]= 0x1 ，则 ADC 扫描完成；
读取寄存器0x6C [14:0]，得到十进制读数（由十六进制转换而来）；
通过公式（1）计算电池电压增益：

再通过公式 (2) 估算由ADC 计算得到的电池电压 (V_{CELL_ADC}):

上述电池电压校准过程仅适用于室温条件 0°C ≤ T_A ≤ 25°C)。对于其他温度范围，请使用公式 (2) 对 V_{CELL_ADC} 进行温度补偿校准，以进一步提高精度并最终获得特定温度 (V_{CELL_TEMPC})下的校准值。其他温度下的校准过程如下所述：

如果 T_A < 0°C，则使用公式 (3) 的温度补偿计算 V_{CELL_TEMPC} :
如果 0°C ≤ T_A ≤ 25°C, 则用公式 (4) 估算 V_{CELL_TEMPC}:
如果 T_A > 25°C，用公式 (5) 计算 V_{CELL_TEMPC}:

注:

LSB替换为校准增益，通过读数乘以增益即可直接得到校准结果。
可取多个读数并计算平均值以提高校准精度。

电池电压校准示例

在C0和C1之间施加4000mV (V_CELL) ），可得到26233的测量结果。然后通过公式（6）估算增益：

$$ \text{增益} = \frac{V_{\text{CELL}}}{\text{读数}} = \frac{4000}{26233} = 0.152482 $$

V_{CELL_ADC} 可采用公式 (7) 来计算：

$$ V_{\text{CELL_ADC}} = 0.152482 \times \text{读数} $$

如果温度超出室温范围 (T_A < 0°C 或 T_A > 25°C)），则更新公式 (3) 和公式 (5)。例如，分别采用公式 (8) 和公式 (9) 来估算-20°C和 +40°C时的 V_{CELL_TEMPC}:

$$ V_{\text{CELL_TEMPC}} = \left( 0.152482 \times \text{读数} \right) \times \left( 1 - \frac{20}{40000} \right) \quad (T = -20^\circ\text{C}) $$
$$ V_{\text{CELL_TEMPC}} = \left( 0.152482 \times \text{读数} \right) \times \left( 1 + \frac{40 - 25}{66666} \right) \quad (T = 40^\circ\text{C}) $$

MCU 使用此校准参数（增益）来调整每节电池的读数。

图 1 展示了校准前后室温下不同电池输入电压下的电池测量误差。

图1：测量范围内的绝对电池电压误差比较（室温）

图2展示了校准前后，当 V_CELL = 4V，每个电池在不同温度下的测量误差。校准过程对室温范围以外的数据进行了温度补偿。

图2: 不同温度下的绝对电池电压误差（ V_CELL = 4.5V ）比较

电池组电流校准过程

遵循以下步骤进行电流校准操作：

首先确保SRP和 SRN 引脚间的电流采样电阻上没有电流经过；
在0x99 [0]中写入 1 ，以启动高分辨率扫描；
如果0x99 [1] = 0x1 ，则 ADC 扫描完成；
读取寄存器0x6B [15:0]，获得十进制读数1（由十六进制格式转换而来）；
施加已知电流 (I_C, about 1A) 并确保电流流过电流采样电阻 (R_SENSE).
在0x99 [0]中写入 0，并重复步骤 2 和 3 以获取十进制读数（由十六进制格式转换而来）；
用公式（10）计算偏移量：
用公式（11）估算电流增益：:

分别用公式（12）和公式（13）进行电流 (I_ADC) 和电压 (V_ADC) c校准：

注:

为了提高校准精度，可取多个读数1和读数，并计算平均值。

电池组电流校准示例

本例中，R_SENSE 取值 200mΩ。当SRP和 SRN 之间没有电流流过时，电池组电流 ADC 测量值即为偏移量，如公式 (14) 所示：

$$ \text{偏移量} = \text{读数1} = -9\ (\text{DEC}) $$

在 R_SENSE上施加500mA电流（流经SRP和 SRN 之间），并利用公式 (15) 估算下一个读数：

$$ \text{读数} = -31669, \quad V_{\text{SRN} - \text{SRP}} = -96.18\,\text{mV} $$

用公式（16）计算电流增益：

$$ \text{电流增益} = \frac{V_{\text{SRN} - \text{SRP}}}{\text{读数} - \text{偏移量}} = \frac{-96.18}{-31660} = 0.003038 $$

用公式（17）估算 V_ADC:

$$ V_{\text{ADC}} = 0.003038 \times (\text{读数} - \text{偏移量}) $$

图3展示了校准前后室温下不同 V_{SRP_SRN} 下的电流测量绝对误差比较：

图3：测量范围内的绝对电池组电流误差比较

图4展示了校准前后室温下不同 V_{SRP_SRN} 下的电流测量相对误差比较。

图4：测量范围内的相对电池组电流误差比较

校准前后，不同温度下、不同 V_{SRP_SRN} 下的电流测量绝对误差比较如图5所示。

图 5：全温范围内的绝对电池组电流误差比较

校准前后，在 V_{SRP_SRN} = ±90mV, ±60mV, ±30mV时、不同温度下的电流测量相对误差比较如下图所示。

图6：全温范围内的固定电流点相对测量误差比较

总结

表1展示了电池电压测量误差比较。

表1：电池电压ADC误差比较

T (°C)	室温	-40°C 至 +85°C	-20°C 至 +65°C
数据手册规格（电池电压误差，未校准）	±5mV	±12.5mV	±7.5mV
示例单元（电池电压误差，未校准）	±4mV	±10mV	±6mV
示例单元（电池电压误差，已校准）	±1mV	±5mV	±3mV

V_CELL = 4.5V时，65 个芯片校准前后在不同温度下的电池测量误差比较如图7所示。

图7：全温范围内65 个芯片的电池8（4.5V ）绝对测量误差比较

表2展示了电池组电流测量误差对比数据。

表2：电流ADC误差比较

温度 (°C)	室温	-40°C 至 +85°C
数据手册规格（电池组电流误差，未校准）	±0.5% x 读数 ±35μV	±1% x 读数 ±35μV
示例单元（电池组电流误差，未校准）	±0.2% x 读数 ±35μV	±0.7% x 读数 ±35μV
示例单元（电池组电流误差，已校准）	±0.1% x 读数 ±6μV	±0.2% x 读数 ±6μV

图 8 显示了校准前后 65 个芯片在不同温度下的电池组电流测量误差。

图8：65 个芯片在全温范围内的相对电池组电流误差(V_SRP-SRN = -70mV)比较

由此可见，根据本文提供的方法进行校准后，电池电压和电池组电流测量结果可以得到显著改善。

结语

本文介绍了MP279x系列电池监控器的电池电压和电池组电流测量校准方法和步骤。电池电压校准之后，室温 (T_A)下的误差可降至 ± 1mV以内；全温范围内的校准前误差为 ± 12.5mV ，校准后误差则在 ±5 mV 以内。对电池组电流测量进行校准之后，室温下的电池组电流测量误差可降至 ±0.1% x (读数 ± 6μV )，全温范围内误差可降至 ±0.2% x (读数 ± 6μV )。