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芯片科普：儲(chǔ)能電源中的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片
ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）是儲(chǔ)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(yù)為模擬電路皇冠上的明珠。ADC在儲(chǔ)能電源中的作用主要是進(jìn)行高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
1974年，世界上首個(gè)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(shí)世界產(chǎn)生的如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式。
模擬信號(hào)經(jīng)過帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號(hào)，再經(jīng)過編碼器，使梯形信號(hào)中的每一級(jí)都變成二進(jìn)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(duì)的還有DAC，主要作用是將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào)，從應(yīng)用需求來看，ADC總需求更高，占比接近80%。
市場(chǎng)中，目前的主導(dǎo)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，需要經(jīng)過采樣、保持、量化和編程四個(gè)階段。根據(jù)不同的處理方式，ADC芯片的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用場(chǎng)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(chǔ)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(gè)世紀(jì)，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(gè)周期。
據(jù)Statista統(tǒng)計(jì)，2022年ADC芯片市場(chǎng)規(guī)模約為29.3億美元，同比增長(zhǎng)6.55%，預(yù)計(jì)到2027年全球ADC芯片市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到40.9億美元，2022-2027年均復(fù)合增速為6.90%。
儲(chǔ)能電源中關(guān)鍵的ADC
ADC芯片在儲(chǔ)能電源中扮演著重要的角色，主要用于電池的監(jiān)測(cè)和管理。在電化學(xué)儲(chǔ)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)，如電壓、電流和溫度等，并通過特定的算法對(duì)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(jìn)行估計(jì)。
為了實(shí)現(xiàn)高精度的電池狀態(tài)估計(jì)和有效的電池管理，ADC芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供給BMS使用。這樣，MCU就可以根據(jù)這些精確的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾砗涂刂疲源_保電池的安全和有效運(yùn)行。
例如，當(dāng)電池的溫度升高或者電流過大時(shí)，MCU可以通過ADC芯片獲取到這些信息，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施來防止電池出現(xiàn)過熱或者過充的情況，從而保護(hù)電池的使用壽命和安全。
從工作原理來看，ADC是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這個(gè)過程通常包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟。
ADC通過采樣-保持電路，將輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行取樣，即選取信號(hào)的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)或者一小段時(shí)間內(nèi)的電平作為樣本。在取樣后，ADC會(huì)保持這個(gè)樣本值不變，直到下一次取樣。
隨后ADC會(huì)將取樣后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過程包括將模擬信號(hào)的幅度進(jìn)行數(shù)字化，通常采用二進(jìn)制表示。最后，ADC將量化后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，以便于計(jì)算機(jī)或者其他數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理和識(shí)別。
ADC芯片的核心原理是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程是通過比較和轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。在比較過程中，ADC將輸入模擬信號(hào)與一個(gè)參考模擬量進(jìn)行比較，得到一個(gè)相對(duì)的數(shù)字值。而轉(zhuǎn)換則是將這個(gè)相對(duì)的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成真正的二進(jìn)制數(shù)值。
不同類型的ADC芯片有不同的實(shí)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(jìn)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(hào)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(duì)ADC輸出進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。
小結(jié)
在儲(chǔ)能電源中，ADC的作用主要是進(jìn)行高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，ADC廣泛應(yīng)用于電信號(hào)的檢測(cè)，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(cè)、充電檢測(cè)等，幫助實(shí)現(xiàn)整個(gè)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。
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