魯棒、低功耗的電池監(jiān)控電路前端

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路為魯棒的電池監(jiān)控前端，專為可能發(fā)生瞬變的環(huán)境而設(shè)計(jì)，例如工業(yè)或過程自動(dòng)化環(huán)境。該電路使用 ADG5408 4通道CMOS多路復(fù)用器，后接AD8226 儀表放大器，以低功耗和低成本精確監(jiān)控各電池的電壓，且無(wú)需額外的外部瞬變保護(hù)電路。

瞬變過壓條件可造成傳統(tǒng)CMOS開關(guān)發(fā)生閂鎖。通過結(jié)隔離技術(shù)，PMOS和NMOS晶體管的N和P井形成寄生硅控整流器(SCR)電路。過壓條件觸發(fā)此SCR，導(dǎo)致電流被顯著放大，進(jìn)而引起閂鎖。閂鎖是一種在關(guān)閉電源之前會(huì)持續(xù)存在的不良高電流狀態(tài)，它可能導(dǎo)致器件故障。

如果輸入或輸出引腳電壓之一超過供電軌一個(gè)二極管壓降以上，或者電源時(shí)序控制不當(dāng)，則可發(fā)生閂鎖。如果通道上出現(xiàn)故障，且信號(hào)超過最大額定值，則故障可觸發(fā)典型CMOS器件的閂鎖狀態(tài)。

電路上電期間，也可能在CMOS開關(guān)上電前產(chǎn)生輸入端電壓，特別是使用多個(gè)電源為電路供電時(shí)。此條件可能超過器件的最大額定值，并觸發(fā)閂鎖狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)中使用的兩個(gè)多路復(fù)用器和儀表放大器(IA)具有魯棒的輸入。ADG5408是防閂鎖型高壓8:1多路復(fù)用器。用于制造ADG5408的溝道隔離技術(shù)可防止閂鎖狀態(tài)，并減少外部保護(hù)短路。防閂鎖不保證過壓保護(hù)，僅表示開關(guān)會(huì)進(jìn)入高電流SCR模式。ADG5408還具有8 kV人體模型靜電放電(ESD)額定值(ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2010)。

AD8226是一款低成本、低功耗儀表放大器，具有魯棒的輸入，可處理相反供電軌最高達(dá)40 V的輸入電壓，同時(shí)將輸出限制在供電軌內(nèi)。例如，采用±18 V電源時(shí)，AD8226正或負(fù)輸入的無(wú)損害擺幅為±22 V。AD8226的所有輸入均通過內(nèi)部二極管提供ESD保護(hù)。

電路描述

電池監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)需要在電池組內(nèi)的每個(gè)電池兩端施加個(gè)別電壓，以評(píng)估電池的充電狀態(tài)(SOC)和運(yùn)行狀態(tài)(SOH)。通過兩個(gè)多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)電池組引腳的多路復(fù)用，如圖1所示，可評(píng)估每個(gè)電池兩端的電壓。

一個(gè)多路復(fù)用器用于正引腳，另一個(gè)用于負(fù)引腳。此差分多路復(fù)用允許將單個(gè)儀表放大器用于最多八個(gè)通道。這樣放大器不需要每個(gè)電池的共模電壓供BMS使用。

ADG5408的每個(gè)通道具有低導(dǎo)通電阻，通常為13.5 Ω，整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大值為22 Ω。輸入失調(diào)電流最大值為2 nA時(shí)，通道電阻上的最大誤差電壓為44 nV。

圖2顯示典型CMOS開關(guān)（使用外延層）與ADG5408在接受閂鎖測(cè)試時(shí)的結(jié)果對(duì)比。測(cè)試期間，將應(yīng)力電流施加于引腳1 ms，此操作稱為觸發(fā)，觸發(fā)后測(cè)量引腳上的電流。此特定測(cè)試在開關(guān)斷開、漏極(D)設(shè)為VDD且源極(S)設(shè)為VSS時(shí)執(zhí)行，如圖3所示。接著源極電壓被驅(qū)動(dòng)至超過VSS，直至達(dá)到所需的觸發(fā)電流。如果未發(fā)生閂鎖，則引腳電流返回預(yù)觸發(fā)值。發(fā)生閂鎖后，引腳繼續(xù)吸取電流，而不用觸發(fā)電壓驅(qū)動(dòng)。只能通過關(guān)斷器件來(lái)停止。

從圖2可看出，此典型CMOS開關(guān)在?290 mA達(dá)到閂鎖電流，而ADG5408不會(huì)發(fā)生閂鎖，除非測(cè)試結(jié)束于?510 mA。

常見變化

對(duì)于堆疊使用四個(gè)或更少電池的應(yīng)用，可使用單個(gè)ADG5409 的四個(gè)差分通道。ADG5409將四個(gè)差分輸入切換為單個(gè)差分輸出，且具有與ADG5408相同的防閂鎖結(jié)構(gòu)。

電路評(píng)估與測(cè)試

該電路使用 EVAL-CN0253-SDPZ 評(píng)估板，可單獨(dú)用作評(píng)估板，或與EVAL-SDP-CS1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板配合使用。在獨(dú)立模式下，A0、A1、A2和EN邏輯電平可由電路板上的鏈路或通過SMB連接器連接到電路板的外部來(lái)源控制。

如果需要電腦控制，可使用120引腳對(duì)接連接器將EVAL-SDP-CS1Z連接到EVAL-CN0253-SDPZ評(píng)估板。

設(shè)備要求

EVAL-CN0253-SDPZ評(píng)估板
±18 V電源
鋰離子電池
用于測(cè)量輸出的數(shù)字電壓表
如果需要使用PC控制EVAL-CN0253-SDPZ板，額外要求包括：
帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?（32/64位）或Windows 7（32/64位）PC
EVAL-SDP-CS1Z SDP
CN-0253評(píng)估軟件

開始使用僅在獨(dú)立使用時(shí)需要EVAL-CN0253-SDPZ、電源和測(cè)試電池。
要使用PC對(duì)電路板進(jìn)行編程，應(yīng)安裝評(píng)估軟件。為此，須將CN-0253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“My Computer（我的電腦）”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件，按照說明安裝和使用評(píng)估軟件。

測(cè)試設(shè)置的功能框圖圖4顯示測(cè)試設(shè)置功能框圖。EVAL-CN0253-SDPZ-SCH-Rev0.pdf 文件包含電路板的完整電路原理圖。此文件位于CN-0253設(shè)計(jì)支持包中：(http://www.analog.com/CN0253-DesignSupport)。

設(shè)置電源輸出關(guān)閉時(shí)，將+18 V電源連接到J3-1引腳(VDD_EXT)，將?18 V電源連接到J3-3引腳(VSS_EXT)，并將J3-2引腳(GND_EXT)接地。將測(cè)試電池接到電池連接。確保鏈路接頭保留在未連接電池的電池連接上；也就是說，如果僅使用四個(gè)電池，剩余的四個(gè)電池連接應(yīng)保持連接。

如果電路板需要電腦控制，必須移除以下鏈路接頭：EN、A0、A1和A2。如果使用EVAL-SDP-CS1Z，請(qǐng)使用120引腳連接器將EVAL-SDP-CS1Z連接到EVAL-CN0253-SDPZ。使用尼龍五金配件固定連接。

測(cè)試為±18 V電源供電。使用電路板上的EN鏈路使能ADG5408多路復(fù)用器的輸出。使用電路板上的A0、A1和A2鏈路選擇測(cè)試電池。SMB連接器VOUT可用于連接獨(dú)立的ADC評(píng)估板，例如EVAL-AD7298SDZ ，或者使用數(shù)字電壓表手動(dòng)測(cè)試。

如果需要電腦控制，請(qǐng)使用USB電纜將EVAL-SDP-CS1Z連接到PC。啟動(dòng)CN-0253評(píng)估軟件。電池電壓可依據(jù)手動(dòng)測(cè)試方法測(cè)試。如果使用EVAL-SDP-CS1Z，可提供額外的5 V電源引腳。