基于Microchip的低成本高精度電流檢測方案

BMS(Battery Management System)是連接新能源車核心部件電池與整車的橋梁。受益于新能源車的發(fā)展，作為核心部件的BMS也得到了飛速的發(fā)展。BMS根據(jù)控制的結(jié)構(gòu)不同分為主從式BMS和一體機(jī)BMS。無論哪種控制結(jié)構(gòu)，總電流檢測是必不可少的。BMS的電流檢測分為傳統(tǒng)霍爾傳感器檢測方式和分流器的檢測方式。經(jīng)過分析，基于分流器的直接式電流采樣技術(shù)的電流傳感器方案成本更低、精度更高，是汽車和能源存儲(chǔ)系統(tǒng)BMS應(yīng)用的首選。

分流器檢測方式之所以成為首選，一方面是由于其較高的測量精度和相對較低的成本，另一方面是因?yàn)樗鼫y量方法簡單，使用設(shè)備少、方便快捷。其測量原理是直接測量分流器兩端的電壓，再根據(jù)歐姆定律，用測得的電壓除以分流器的電阻值，從而得到電路中的電流值。而霍爾傳感器檢測方式雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其測量值隨溫度的變化較大。為此，本文將介紹一款基于Microchip MCU、CAN接口和信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的低成本高精度的分流器檢測方案，供大家參考與使用。

該方案采用了Bourns的大電流分流器CSM2F-8518-L100J32、Microchip的MCU ATSAMC21E18A、ADC MCP3421、儀表放大器MCP6N16、電壓基準(zhǔn)MCP1501以及Microchip 的CAN接口ATA6560。儀表放大器MCP6N16與電壓基準(zhǔn)MCP1501將分流器的采集信號(hào)放大和抬升，再由18-bit 內(nèi)置PGA ΔΣADC MCP3421將放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，通過I2C接口傳給Microchip MCU ATSAMC21E18A，然后MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、處理和標(biāo)定，Microchip 的CAN接口ATA6560用于數(shù)據(jù)通訊。該方案除了用于BMS系統(tǒng)，還可用于電動(dòng)和混動(dòng)汽車、母線電流檢測和焊接設(shè)備。

該分流器方案的特點(diǎn)：最大的工作隔離電壓可以達(dá)到560V。室溫下，精度可達(dá)2‰，全范圍精度為5‰，電源寬范圍電壓輸入，12V時(shí)消耗的電流小于3mA，工作溫度范圍-40~125 ℃，持續(xù)檢測電流500A，最大沖擊電流1000A(30mins on/off)。

為了方便用戶的測試、標(biāo)定和應(yīng)用，方案同時(shí)也提供了上位機(jī)軟件。通過橋接工具，用戶可以直觀地對分流器方案進(jìn)行標(biāo)定和測試應(yīng)用。MCU內(nèi)置Flash支持讀寫功能，用來模擬EEPROM的功能存儲(chǔ)標(biāo)定的數(shù)據(jù)。板上和分流器上貼有NTC溫度傳感器，用戶可以實(shí)時(shí)的讀取板上和分流器上的溫度。

了解了此電流檢測方案的整體特點(diǎn)后，我們再來逐個(gè)介紹組成此方案的核心器件各自特點(diǎn)。

先從此方案的MCU入手，Microchip MCU ATSAMC21E18A的特色是32 bit Cortex M0+ MCU，可以5V供電，靈活的串口外設(shè)Sercom可以任意靈活的配制成UART、SPI和I2C;內(nèi)置CAN控制器支持CAN-FD，同時(shí)兼容CAN2.0 A/B。

其放大器MCP6N16具備自校正架構(gòu)，可以通過超低失調(diào)、低失調(diào)漂移，以及優(yōu)異的共模和電源抑制功能來最大限度地提高DC性能，同時(shí)消除1/f噪聲的不良影響，從而在全溫度范圍實(shí)現(xiàn)超高的精度。MCP6N16的低功耗CMOS工藝技術(shù)在實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)，還可提供500 kHz的帶寬。此外，它配有一個(gè)硬件使能引腳可進(jìn)一步降低功耗。對于既定速度和性能而言，這種低功耗運(yùn)行和停機(jī)功能需要的電流更少，因而可延長電池壽命和減少本身發(fā)熱。該放大器的運(yùn)行電壓低至1.8V，使得兩節(jié)1.5V干電池的電量消耗遠(yuǎn)比典型情況下的少，而其軌對軌輸入和輸出操作即使是在低供電的條件下也可確保全范圍使用。這使得整個(gè)運(yùn)行電壓范圍內(nèi)的性能都得到大幅提升。MCP6N16儀表放大器非常適用于需要高性能、高精度與低功耗、低電壓運(yùn)行兼?zhèn)涞膽?yīng)用，涵蓋醫(yī)療、消費(fèi)和工業(yè)市場上的傳感器接口、信號(hào)調(diào)理以及固定式和便攜式儀器等等。

與其他A/D轉(zhuǎn)換器相比，MCP3421 特別適合需要設(shè)計(jì)簡單、低功耗和節(jié)省空間的各種高精度模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：全差分輸入，18位分辨率，精密的連續(xù)自校準(zhǔn)功能;可選擇3.75、15、60或240SPS采樣速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換;可工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，在單次轉(zhuǎn)換后的空閑期內(nèi)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，極大的減少了電流消耗;內(nèi)部集成2.048V 0.05%精度，且溫度漂移僅為5ppm/℃的基準(zhǔn)電壓源，可編程增益放大器(PGA)提供1/2/4/8倍增益，允許測量極小的信號(hào)并且具有很高的分辨率，內(nèi)部集成振蕩器電路并提供I2C串行接口等。

Microchip混合及線性信號(hào)產(chǎn)品部副總裁Bryan J. Liddiard表示：“ADC市場和應(yīng)用的發(fā)展需要更高分辨率、更高速度和更高精度。此外，更低的功耗和更小的封裝也非常重要，我們新推出的這些產(chǎn)品可滿足以上全部需求。”

高電壓輸入集成開關(guān)降壓穩(wěn)壓器MCP16331可工作在最高50V的輸入電壓源下。集成的特性包括上橋臂開關(guān)、固定頻率峰值電流模式控制、內(nèi)部補(bǔ)償、峰值電流限制和過溫保護(hù)。只需最少量的外部元件，即可開發(fā)完整的降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器電源。通過集成限流元件、低電阻、高速N溝道MOSFET和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換器效率。高開關(guān)頻率最大程度地減小了外部濾波元件的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)小尺寸的解決方案。MCP16331可以在將輸出電壓穩(wěn)壓至2.0V-24V的同時(shí)，提供500 mA的連續(xù)電流。器件集成了高性能峰值電流‌模式架構(gòu)，即使在電源系統(tǒng)中常見的輸入電壓階躍和輸出電流瞬變條件期間，也可以穩(wěn)定地對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。EN輸入用于開啟和關(guān)閉器件。對于限電和負(fù)載分配應(yīng)用，器件關(guān)閉時(shí)，輸入端僅消耗幾μA的電流。此引腳在內(nèi)部上拉，因此即使EN引腳懸空，器件也仍會(huì)啟動(dòng)。輸出電壓可通過外部電阻分壓器進(jìn)行設(shè)置。

汽車和工業(yè)CAN市場一直要求以具有成本效益的解決方案提供更高性能、更低功耗和更大靈活性。Microchip全新系列高速CAN收發(fā)器符合高性能要求，提供了行業(yè)的低待機(jī)電流，并有多種外形尺寸小巧的器件可供選擇。Microchip公司ATA6560/1收發(fā)器支持CAN FD標(biāo)準(zhǔn)和高達(dá)5Mbits/s的數(shù)據(jù)速率，為CAN協(xié)議控制器和CAN雙線式物理總線提供對接接口。符合ISO11898-2、ISO11898-5和SAEJ2284標(biāo)準(zhǔn)，具備較高的電磁兼容性(EMC)和靜電釋放 (ESD)性能。當(dāng)供電電壓關(guān)閉時(shí)， ATA6560/1收發(fā)器可為CAN總線提供理想的無源性能，配有一個(gè)供電電壓為3V 至5V的MCU直連接口。對于各類高速CAN網(wǎng)絡(luò)、尤其是要求低功耗并需通過CAN總線喚醒的CAN節(jié)點(diǎn)而言，具備多種運(yùn)行模式和專用故障安全功能的 ATA6560/1無疑是絕佳選擇。低功耗CAN收發(fā)器基于先進(jìn)工藝開發(fā)，能夠進(jìn)一步集成模擬功能和復(fù)雜的數(shù)字功能。

Microchip代理商世健公司的現(xiàn)場應(yīng)用總監(jiān)仇嘉洋表示：世健公司作為技術(shù)分銷商與解決方案商，時(shí)刻關(guān)注著市場技術(shù)需求動(dòng)態(tài)，通過采用Microchip公司高性能的Cortex-M0+ MCU，豐富的模擬信號(hào)鏈、電源和接口產(chǎn)品，與分流器傳感器相結(jié)合，世健公司為客戶提供了完整的分流器電流檢測解決方案，可廣泛應(yīng)用于汽車和儲(chǔ)能BMS、電動(dòng)和混動(dòng)汽車、工業(yè)母線電流檢測和焊接設(shè)備等大電流檢測的應(yīng)用。