電路之全隔離式鋰離子電池監控和保護系統

　　鋰離子（Li-Ion）電池組包含大量的電池單元，必須正確監控才能提高電池效率，延長(cháng)電池壽命并確保安全性。圖1所示電路中的6通道AD7280A器件充當主監控器，向系統演示平臺（SDP-B）評估板提供精確的電壓測量數據，而6通道AD8280器件充當副監控器和保護系統。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. 鋰離子電池監控和保護系統原理示意圖

　　AD7280A內置一個(gè)±3 ppm基準電壓源，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，并強行使堆疊中的所有電池單元具有相同電壓。

　　AD8280獨立于主監控器工作，并提供報警功能，可指示超容差條件。該器件內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(lái)設置過(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)報警。

　　AD7280A和AD8280位于電池管理系統（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，向上向下傳遞數據，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SDP-B板的低壓端。數字隔離器ADuM1400、ADuM1401和集成DC-DC轉換器的隔離器ADuM5404共同提供所需的11通道隔離，構成一種緊湊、高性?xún)r(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是一款完整的數據采集系統，內置一個(gè)高壓輸入多路復用器、一個(gè)低壓輸入多路復用器、一個(gè)12位、1 μs SAR ADC和用于通道時(shí)序控制的片內寄存器。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輸入轉換任何其它0 V至5 V輸入信號。另外還提供2.5 V精密基準電壓源和片內電壓調節器。

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

　　ADuM5404集成一個(gè)DC-DC轉換器，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)），菊花鏈信號被屏蔽在印刷電路板（PCB）的一個(gè)內層上，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(shí)現。每個(gè)菊花鏈連接上都配有22 pF電容，根據菊花鏈的數據流方向，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據，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

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

　　圖5. EVAL-CN0235-SDPZ PCB的底層包含AD8280菊花鏈信