鉅大LARGE | 點擊量：1592次 | 2019年11月08日
電路之全隔離式鋰離子電池監(jiān)控和保護系統(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器件充當主監(jiān)控器，向系統(tǒng)演示平臺（SDp-B）評估板提供精確的電壓測量數(shù)據(jù)，而6通道AD8280器件充當副監(jiān)控器和保護系統(tǒng)。兩個器件均采用8V至30V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。
AD7280A內(nèi)置一個±3ppm基準電壓源，提供±1.6mV的電池電壓測量精度。ADC分辨率為12位，轉(zhuǎn)換48個單元只需7μs時間。
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，并強行使堆疊中的所有電池單元具有相同電壓。
AD8280獨立于主監(jiān)控器工作，并提供報警功能，可指示超容差條件。該器件內(nèi)置自用基準電壓源和LDO,二者均完全采用電池組供電?；鶞孰妷涸磁c外部電阻分壓器一起，用來設(shè)置過壓/欠壓的跳變點。每個電池通道都含有可編程去毛刺（D/G）電路，以免瞬時輸入電平引發(fā)報警。
AD7280A和AD8280位于電池管理系統(tǒng)（BMS）的高壓端，具有一個菊花鏈接口，最多能將8個AD7280A和8個AD8280堆疊在一起，以監(jiān)控48個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評估板通信，只有在這個地方才需要高壓電流隔離，以便保護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、高性價比的解決方案。ADuM5404還可為較低AD7280A的VDRIVE輸入提供5V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)置一個高壓輸入多路復(fù)用器、一個低壓輸入多路復(fù)用器、一個12位、1μsSARADC和用于通道時序控制的片內(nèi)寄存器。HVMUX用于測量串聯(lián)鋰離子電池單元，如圖1所示。LVMUX提供單端ADC輸入，可結(jié)合外部熱敏電阻測量個別電池單元的溫度；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0V至5V輸入信號。另外還提供2.5V精密基準電壓源和片內(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，可提供具有可調(diào)閾值檢測和共用或單獨報警輸出的低成本、冗余、備用電池監(jiān)控器。它具有自測功能，因此適合混合動力電動汽車等高可靠性應(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DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于向ADuM1400和ADuM1401隔離器的高壓端供電，以及向AD7280ASpI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），菊花鏈信號被屏蔽在印刷電路板（pCB）的一個內(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器件的VSS引腳。圖2所示為EVAL-CN0235-SDpZpCB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，下方的屏蔽在圖4所示的第3層上實現(xiàn)。每個菊花鏈連接上都配有22pF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器件的VSS引腳或下一個器件的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22pF電容端接于上一個器件的VSS引腳。
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22pF電容端接于下一個器件的VDD引腳。使用一條低阻抗走線將下一個器件的VDD與上一個器件的VSS直接相連，使這兩個電位在高噪聲環(huán)境下盡可能接近。
隔離柵處的接地護欄用于圍住pCB左側(cè)構(gòu)成的低壓端。該護欄由通過過孔系在一起的保護環(huán)組成，連接到板上所有層的數(shù)字地。到達電路板邊緣的電源層與接地層上的噪聲可能會輻射，但采用這種屏蔽結(jié)構(gòu)時，噪聲會被反射回來。
當驅(qū)動電流源跨過接地層之間的間隙時，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連續(xù)的屏蔽體，從而將接地層擴展至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，請參閱應(yīng)用筆記AN-0971.
測試結(jié)果
衡量該電路性能的一個重要指標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（SDp-B）評估板的CN0235評估板獲得的。設(shè)置詳情參見本電路筆記的“電路評估與測試”部分。
已將12個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所示為對應(yīng)于大約0.5LSBrms的3LSB峰峰噪聲。
有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計支持包，請參閱www.analog.com/CN0235-DesignSupport
常見變化
經(jīng)驗證，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，可以實現(xiàn)其它的隔離通道組合。
電路評估與測試
本電路使用EVAL-CN0235-SDpZ電路板和EVAL-SDp-CB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDp-B）評估板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。EVAL-CN0235-SDpZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDp-B評估板與CN0235評估軟件一起使用，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、WindowsVista.（32位）或。Windows.7（32位）pC
EVAL-CN0235-SDp.Z電路評估板
EVAL-SDp-CB1.ZSDp-B評估板
CN0235SDp評估軟件。
電源：+6V或+6V“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評估軟件光盤放進pC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。打開“我的電腦”,找到包含評估軟件的驅(qū)動器。
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）評估板上標有“CONA”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+6V電源連接到板上標有“+6V”和“GND”的引腳。如果有+6V“壁式電源適配器”,可以將它連接到板上的管式連接器，代替+6V電源。此外只需連接鋰離子電池組。電池組可以用一個由精密直流電源電壓驅(qū)動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：此時請勿將該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+6V電源（或“壁式電源適配器”）通電。啟動評估軟件，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)。
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