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芯片科普：儲能電源中的模數轉換芯片

來源：模數轉換芯片| 發布日期：2023-12-18 10:20

ADC（模數轉換芯片）是儲能系統中必不可少的芯片，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模轉換，實現模擬信號到數字信號的轉換。

ADC是電力設備必備產品
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生的如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等模擬信號轉換成更容易處理的數字形式。
模擬信號經過帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號，再經過編碼器，使梯形信號中的每一級都變成二進制碼。最后，模擬量被轉換成數字量，然后傳送到CPU。也就是說，幾乎所有的通電數據都需要經過ADC轉換。
與ADC相對的還有DAC，主要作用是將數字信號調制成模擬信號，從應用需求來看，ADC總需求更高，占比接近80%。
市場中，目前的主導企業主要為ADI、TI、瑞薩等，國內的企業如圣邦微、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化為數字信號，需要經過采樣、保持、量化和編程四個階段。根據不同的處理方式，ADC芯片的結構及其應用場景有很多種，例如Flash結構、Half-Flash結構、折疊型（Folding）結構、Σ-Δ（Sigma-Delta）結構、逐次逼近型（SAR）結構、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芯片已經發展了近半個世紀，但ADC/DAC芯片產業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Statista統計，2022年ADC芯片市場規模約為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，主要用于電池的監測和管理。在電化學儲能系統中，BMS（電池管理系統）是至關重要的部分，它需要實時監測電池的狀態，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）和SOH（State of Health，健康狀態）等關鍵參數進行估計。
為了實現高精度的電池狀態估計和有效的電池管理，ADC芯片將模擬信號轉換為數字信號供給BMS使用。這樣，MCU就可以根據這些精確的數字信號數據對電池進行適當的管理和控制，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是將模擬信號轉換為數字信號。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換為數字信號，這個過程包括將模擬信號的幅度進行數字化，通常采用二進制表示。最后，ADC將量化后的數字信號進行編碼，將其轉換成二進制代碼，以便于計算機或者其他數字系統進行處理和識別。
ADC芯片的核心原理是將模擬信號轉換為數字信號，而這個轉換的過程是通過比較和轉換實現的。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，得到一個相對的數字值。而轉換則是將這個相對的數字值轉換成真正的二進制數值。
不同類型的ADC芯片有不同的實現方式和工作原理，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，將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進行比較，經過多次比較而輸出數字值。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字化，通過使用過采樣、噪聲整形和數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
在儲能電源中，ADC的作用主要是進行高精度數模轉換，實現模擬信號到數字信號的轉換。在儲能系統中，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，幫助實現整個鋰電池管理過程中的狀態監控、故障診斷和充放電管理。