電路之全隔離式鋰離子電池監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)

鋰離子（Li-Ion）電池組包含大量的電池單元，必須正確監(jiān)控才能提高電池效率，延長電池壽命并確保安全性。圖1所示電路中的6通道AD7280A器件充當(dāng)主監(jiān)控器，向系統(tǒng)演示平臺(tái)（SDP-B）評(píng)估板提供精確的電壓測量數(shù)據(jù)，而6通道AD8280器件充當(dāng)副監(jiān)控器和保護(hù)系統(tǒng)。兩個(gè)器件均采用8 V至30 V的單電源寬工作電壓范圍，工作溫度范圍為-40℃至+105℃工業(yè)溫度范圍。

圖1. 鋰離子電池監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)原理示意圖

AD7280A內(nèi)置一個(gè)±3 ppm基準(zhǔn)電壓源，提供±1.6 mV的電池電壓測量精度。ADC分辨率為12位，轉(zhuǎn)換48個(gè)單元只需7 μs時(shí)間。

AD7280A具有電池平衡接口輸出，用來控制外部FET晶體管，允許各電池放電，并強(qiáng)行使堆疊中的所有電池單元具有相同電壓。

AD8280獨(dú)立于主監(jiān)控器工作，并提供報(bào)警功能，可指示超容差條件。該器件內(nèi)置自用基準(zhǔn)電壓源和LDO,二者均完全采用電池組供電。基準(zhǔn)電壓源與外部電阻分壓器一起，用來設(shè)置過壓/欠壓的跳變點(diǎn)。每個(gè)電池通道都含有可編程去毛刺（D/G）電路，以免瞬時(shí)輸入電平引發(fā)報(bào)警。

AD7280A和AD8280位于電池管理系統(tǒng)（BMS）的高壓端，具有一個(gè)菊花鏈接口，最多能將8個(gè)AD7280A和8個(gè)AD8280堆疊在一起，以監(jiān)控48個(gè)鋰離子電池單元的電壓。堆疊中的相鄰AD7280A和AD8280可以直接通信，向上向下傳遞數(shù)據(jù)，而無需隔離。

堆疊底部的主器件使用SPI接口和GPIO與SDP-B評(píng)估板通信，只有在這個(gè)地方才需要高壓電流隔離，以便保護(hù)SDP-B板的低壓端。數(shù)字隔離器ADuM1400、ADuM1401和集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的隔離器ADuM5404共同提供所需的11通道隔離，構(gòu)成一種緊湊、高性價(jià)比的解決方案。ADuM5404還可為較低AD7280A的VDRIVE輸入提供5 V隔離輸出，并為ADuM1400和ADuM1401隔離器提供VDD2電源電壓。

電路描述

AD7280A是一款完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)置一個(gè)高壓輸入多路復(fù)用器、一個(gè)低壓輸入多路復(fù)用器、一個(gè)12位、1 μs SAR ADC和用于通道時(shí)序控制的片內(nèi)寄存器。HV MUX用于測量串聯(lián)鋰離子電池單元，如圖1所示。LV MUX提供單端ADC輸入，可結(jié)合外部熱敏電阻測量個(gè)別電池單元的溫度；如果不需要溫度測量，則可利用輔助ADC輸入轉(zhuǎn)換任何其它0 V至5 V輸入信號(hào)。另外還提供2.5 V精密基準(zhǔn)電壓源和片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器。

AD8280是一款用于鋰離子電池組的純硬連線安全監(jiān)控器，配合AD7280A使用時(shí)，可提供具有可調(diào)閾值檢測和共用或單獨(dú)報(bào)警輸出的低成本、冗余、備用電池監(jiān)控器。它具有自測功能，因此適合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車等高可靠性應(yīng)用或者不間斷電源等高壓工業(yè)應(yīng)用。AD7280A和AD8280均從監(jiān)控的電池單元獲得電源。

ADuM5404集成一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于向ADuM1400和ADuM1401隔離器的高壓端供電，以及向AD7280A SPI接口提供VDRIVE電源。這些4通道、磁性隔離電路是安全、可靠、易用的光耦合器替代解決方案。

為了優(yōu)化菊花鏈在高噪聲條件下的通信性能（例如遇到電池干擾時(shí)），菊花鏈信號(hào)被屏蔽在印刷電路板（PCB）的一個(gè)內(nèi)層上，上下都由VSS電源層提供屏蔽，該電源層連接到菊花鏈中上一個(gè)器件的VSS引腳。圖2所示為EVAL-CN0235-SDPZ PCB的頂層，包含AD7280A的上部屏蔽，圖5所示為底層，包含AD8280的上部屏蔽。圖3所示為內(nèi)層（第2層），它包含屏蔽的菊花鏈信號(hào)，下方的屏蔽在圖4所示的第3層上實(shí)現(xiàn)。每個(gè)菊花鏈連接上都配有22 pF電容，根據(jù)菊花鏈的數(shù)據(jù)流方向，這些電容端接于上一個(gè)器件的VSS引腳或下一個(gè)器件的VDD引腳。PD、CS、SCLK、SDI和CNVST菊花鏈連接沿菊花鏈向上傳遞數(shù)據(jù)，因此這些引腳上的22 pF電容端接于上一個(gè)器件的VSS引腳。

圖2. EVAL-CN0235-SDPZ PCB的頂層包含AD7280A菊花鏈信號(hào)的上部屏蔽

圖3. EVAL-CN0235-SDPZ PCB的第2層包含屏蔽的AD7280A菊花鏈信號(hào)

圖4. EVAL-CN0235-SDPZ PCB的第3層包含屏蔽的AD8280菊花鏈信號(hào)

圖5. EVAL-CN0235-SDPZ PCB的底層包含AD8280菊花鏈信號(hào)的上部屏蔽

SDOlo和ALERTlo菊花鏈連接沿菊花鏈向下傳遞數(shù)據(jù)，因此這些引腳上的22 pF電容端接于下一個(gè)器件的VDD引腳。使用一條低阻抗走線將下一個(gè)器件的VDD與上一個(gè)器件的VSS直接相連，使這兩個(gè)電位在高噪聲環(huán)境下盡可能接近。

隔離柵處的接地護(hù)欄用于圍住PCB左側(cè)構(gòu)成的低壓端。該護(hù)欄由通過過孔系在一起的保護(hù)環(huán)組成，連接到板上所有層的數(shù)字地。到達(dá)電路板邊緣的電源層與接地層上的噪聲可能會(huì)輻射，但采用這種屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，噪聲會(huì)被反射回來。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流源跨過接地層之間的間隙時(shí)，也可能產(chǎn)生輸入至輸出的偶極子輻射。為將這種效應(yīng)降至最小，隔離間隙處使用一個(gè)連續(xù)的屏蔽體，從而將接地層擴(kuò)展至PCB的所有層上，以利用屏蔽重疊部分構(gòu)成跨隔離柵耦合。各層上的隔離間隙保持最小，測試板使用0.008英寸的間隙。有關(guān)isoPower.器件（如本電路所用的ADuM5404）輻射控制的更多建議，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記AN-0971.

測試結(jié)果

衡量該電路性能的一個(gè)重要指標(biāo)是最終輸出電壓測量結(jié)果中的噪聲量。

圖6所示為VIN3.VIN2通道的10,000個(gè)測量樣本的直方圖。該數(shù)據(jù)是利用連接到EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)（SDP-B）評(píng)估板的CN0235評(píng)估板獲得的。設(shè)置詳情參見本電路筆記的“電路評(píng)估與測試”部分。

已將12個(gè)鋰離子電池連接到輸入螺紋接線端子。注意，只有一小部分碼字受噪聲影響而落在主倉之外。圖6和圖7所示為對(duì)應(yīng)于大約0.5 LSB rms的3 LSB峰峰噪聲。

有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包，請(qǐng)參閱www.analog.com/CN0235-DesignSupport

圖6. 10,000樣本的碼字直方圖（器件0的VIN4 - VIN3）

圖7. 10,000樣本的直方圖（器件1的VIN4 - VIN3）

常見變化

經(jīng)驗(yàn)證，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。利用iCoupler隔離產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)其它的隔離通道組合。

電路評(píng)估與測試

本電路使用EVAL-CN0235-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)（SDP-B）評(píng)估板。這兩片板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。EVAL-CN0235-SDPZ板包含要評(píng)估的電路，如本筆記所述。SDP-B評(píng)估板與CN0235評(píng)估軟件一起使用，可從EVAL-CN0235-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

帶USB端口的Windows. XP、Windows Vista.（32位）或。 Windows. 7（32位）PC

EVAL-CN0235-SDP. Z電路評(píng)估板

EVAL-SDP-CB1. Z SDP-B評(píng)估板

CN0235 SDP評(píng)估軟件。

電源：+6 V或+6 V“壁式電源適配器”.

鋰離子電池或精密直流電源。

開始使用

將CN0235評(píng)估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開“我的電腦”,找到包含評(píng)估軟件的驅(qū)動(dòng)器。

功能框圖

電路功能框圖參見本電路筆記的圖1,電路原理圖參見“EVAL-CN0235-SDPZ-SCH-RevA.pdf”文件。此文件位于CN0235設(shè)計(jì)支持包中。

設(shè)置

EVAL-CN0235-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z （SDP-B）評(píng)估板上標(biāo)有“CON A”的連接器。應(yīng)使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電情況下，將一個(gè)+6 V電源連接到板上標(biāo)有“+6 V”和“GND”的引腳。如果有+6 V“壁式電源適配器”,可以將它連接到板上的管式連接器，代替+6 V電源。此外只需連接鋰離子電池組。電池組可以用一個(gè)由精密直流電源電壓驅(qū)動(dòng)的電阻分壓器來模擬。SDP-B板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：此時(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP-B板上的微型USB連接器。

測試

為連接到EVAL-CN0235-SDPZ電路板的+6 V電源（或“壁式電源適配器”）通電。啟動(dòng)評(píng)估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP-B板上的微型USB連接器。一旦USB通信建立，就可以使用SDP-B板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0235-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。