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芯片科普：儲能電源中的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

來源：模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片| 發(fā)布日期：2023-12-18 10:20

ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）是儲能系統(tǒng)中必不可少的芯片，是模擬芯片中難度最高的一部分，也被人們贊譽為模擬電路皇冠上的明珠。ADC在儲能電源中的作用主要是進行高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

ADC是電力設備必備產(chǎn)品
1974年，世界上首個ADC芯片由IBM的M. Klein所推出，至今已有近50年的歷史。ADC主要作用是將真實世界產(chǎn)生的如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等模擬信號轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式。
模擬信號經(jīng)過帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號，再經(jīng)過編碼器，使梯形信號中的每一級都變成二進制碼。最后，模擬量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳送到CPU。也就是說，幾乎所有的通電數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換。
與ADC相對的還有DAC，主要作用是將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號，從應用需求來看，ADC總需求更高，占比接近80%。
市場中，目前的主導企業(yè)主要為ADI、TI、瑞薩等，國內(nèi)的企業(yè)如圣邦微、芯海、必易微、晶華微、芯佰微、迅芯微、治精微、類比、智毅聚芯等。
ADC芯片的工作原理是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，需要經(jīng)過采樣、保持、量化和編程四個階段。根據(jù)不同的處理方式，ADC芯片的結(jié)構(gòu)及其應用場景有很多種，例如Flash結(jié)構(gòu)、Half-Flash結(jié)構(gòu)、折疊型（Folding）結(jié)構(gòu)、Σ-Δ（Sigma-Delta）結(jié)構(gòu)、逐次逼近型（SAR）結(jié)構(gòu)、流水型（Pipelined）等，儲能電源中主要使用的便是Σ-ΔADC。
有意思的是，盡管ADC芯片已經(jīng)發(fā)展了近半個世紀，但ADC/DAC芯片產(chǎn)業(yè)更新迭代的速度要比普通的芯片更快，大概是以4-6年為一個周期。
據(jù)Statista統(tǒng)計，2022年ADC芯片市場規(guī)模約為29.3億美元，同比增長6.55%，預計到2027年全球ADC芯片市場規(guī)模將達到40.9億美元，2022-2027年均復合增速為6.90%。
儲能電源中關(guān)鍵的ADC
ADC芯片在儲能電源中扮演著重要的角色，主要用于電池的監(jiān)測和管理。在電化學儲能系統(tǒng)中，BMS（電池管理系統(tǒng)）是至關(guān)重要的部分，它需要實時監(jiān)測電池的狀態(tài)，如電壓、電流和溫度等，并通過特定的算法對電池的SOC（State of Charge，充電狀態(tài)）和SOH（State of Health，健康狀態(tài)）等關(guān)鍵參數(shù)進行估計。
為了實現(xiàn)高精度的電池狀態(tài)估計和有效的電池管理，ADC芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供給BMS使用。這樣，MCU就可以根據(jù)這些精確的數(shù)字信號數(shù)據(jù)對電池進行適當?shù)墓芾砗涂刂?，以確保電池的安全和有效運行。
例如，當電池的溫度升高或者電流過大時，MCU可以通過ADC芯片獲取到這些信息，并及時采取相應的措施來防止電池出現(xiàn)過熱或者過充的情況，從而保護電池的使用壽命和安全。
從工作原理來看，ADC是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這個過程通常包括采樣、保持、量化和編碼四個步驟。
ADC通過采樣-保持電路，將輸入的模擬信號進行取樣，即選取信號的一個時間點或者一小段時間內(nèi)的電平作為樣本。在取樣后，ADC會保持這個樣本值不變，直到下一次取樣。
隨后ADC會將取樣后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這個過程包括將模擬信號的幅度進行數(shù)字化，通常采用二進制表示。最后，ADC將量化后的數(shù)字信號進行編碼，將其轉(zhuǎn)換成二進制代碼，以便于計算機或者其他數(shù)字系統(tǒng)進行處理和識別。
ADC芯片的核心原理是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而這個轉(zhuǎn)換的過程是通過比較和轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。在比較過程中，ADC將輸入模擬信號與一個參考模擬量進行比較，得到一個相對的數(shù)字值。而轉(zhuǎn)換則是將這個相對的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成真正的二進制數(shù)值。
不同類型的ADC芯片有不同的實現(xiàn)方式和工作原理，如逐次逼近型ADC、Σ-Δ型ADC等。其中，逐次逼近型ADC采用逐次比較的方法，將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)過多次比較而輸出數(shù)字值。Σ-Δ型ADC則以很低的采樣分辨率和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率，然后對ADC輸出進行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。
小結(jié)
在儲能電源中，ADC的作用主要是進行高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。在儲能系統(tǒng)中，ADC廣泛應用于電信號的檢測，如電池包電壓和電流/絕緣電阻、接觸器端電壓、繼電器粘連檢測、充電檢測等，幫助實現(xiàn)整個鋰電池管理過程中的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和充放電管理。