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(duì)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(duì)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?cè)賮碇饌€(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(duì)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(duì)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?！?/p>

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(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。EN輸入用于開啟和關(guān)閉器件。對(duì)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(duì)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(duì)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。