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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(lái)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(lái)設(shè)置過(guò)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(wú)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(cè)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(cè)量個(gè)別電池單元的溫度；如果不需要溫度測(cè)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(cè)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(cè)功能，因此適合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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