集成信號和電源隔離的鋰離子電池組監控器

電路功能與優(yōu)勢
　　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。圖1所示電路中的6通道AD7280A 充當主監控器，向電池管理控制器(BMC)提供精確的測量數據。
　　
　　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AD7280A主器件使用SPI接口與BMC通信，只有在這個(gè)地方才需要高壓電流隔離，以便保護BMS的低壓端。數字隔離器 ADuM1201 和集成DC/DC轉換器的隔離器ADuM5401共同提供所需的6通道隔離，構成一種緊湊、高性?xún)r(jià)比的解決方案。

圖1. 帶隔離功能的AD7280A菊花鏈配置電路（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述
　　AD7280A菊花鏈從它監控的電池單元獲得電源。ADuM5401集成一個(gè)DC/DC轉換器，用于向ADuM1201的高壓端供電，向AD7280A SPI接口提供VDRIVE 電源，以及向AD7280A菊花鏈電路提供關(guān)斷信號。如果BMS低壓端的+5 V電源被拉低，則隔離器和AD7280A菊花鏈關(guān)斷。同樣，如果來(lái)自BMC的PD信號變?yōu)榈碗娖?，通過(guò) ADG849 開(kāi)關(guān)路由的ADuM5401低壓電源將被拉低，這也會(huì )使隔離器和AD7280A菊花鏈發(fā)生硬件關(guān)斷。
　　
　　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-AD7280AEDZ PCB的頂層，它包含上部屏蔽。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-AD7280AEDZ PCB的頂層包含菊花鏈信號的上部屏蔽

　　SDOlo和ALERTlo菊花鏈連接沿菊花鏈向下傳遞數據，因此這些引腳上的22 pF電容端接于下一個(gè)器件的VDD 引腳。使用一條低阻抗走線(xiàn)將下一個(gè)器件的VDD 與上一個(gè)器件的 VSS直接相連，使這兩個(gè)電位在高噪聲環(huán)境下盡可能接近。

圖3. EVAL-AD7280AEDZ PCB的第2層包含屏蔽的菊花鏈信號

圖4. EVAL-AD7280AEDZ PCB的第3層包含菊花鏈信號的下部屏蔽

　　隔離柵處的接地護欄用于圍住PCB左側構成的低壓端。該護欄由通過(guò)過(guò)孔系在一起的保護環(huán)組成，連接到板上所有層的數字地。到達電路板邊緣的電源層與接地層上的噪聲可能會(huì )輻射，但采用這種屏蔽結構時(shí)，噪聲會(huì )被反射回來(lái)。
　　
　　當驅動(dòng)電流源跨過(guò)接地層之間的間隙時(shí)，也可能產(chǎn)生輸入至輸出的偶極子輻射。為將這種效應降至最小，隔離間隙處使用一個(gè)連續的屏蔽體，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0.4 mm的間隙。
　　
測試結果
　　衡量該電路性能的一個(gè)重要指標是最終輸出電壓測量結果中的噪聲量。
　　
　　圖5所示為VIN3?VIN2通道的10,000個(gè)測量樣本的直方圖。此數據利用與EVAL-CED1Z轉換器評估與開(kāi)發(fā)板相連的AD7280評估板測得。
　　
　　使用一個(gè)由電源電壓驅動(dòng)的電阻分壓器串來(lái)模擬電池電壓。捕捉到的碼字2675代表3.612 V，這是典型的鋰離子電池電壓。注意，只有一小部分碼字受噪聲影響而落在主倉之外。

圖5. 10,000樣本的碼字直方圖（VIN3 – VIN2通道）

常見(jiàn)變化
　　經(jīng)驗證，該電路能夠穩定地工作，并具有良好的精度。利用 iCoupler? 隔離產(chǎn)品，可以實(shí)現其它的隔離通道組合。例如，可以額外增加一個(gè)隔離通道來(lái)支持AD7280A的 PD 信號，而不是像本電路一樣節省一個(gè)通道并使用VISO輸出電源來(lái)驅動(dòng)AD7280A的PD 信號。選擇哪些信號通過(guò)哪個(gè)隔離器也是可以改變的。本電路中，4個(gè)SPI信號（SCLK, CS, SDI和SDO）通過(guò)ADuM5401隔離器，CNVST 和ALERT信號通過(guò)ADuM1201隔離器。
　　
電路評估與測試
　　AD7280A評估板上使用圖1所示電路。有關(guān)AD7280A評估板和測試方法的詳細信息，參見(jiàn) 評估板用戶(hù)指南UG-252。
　　
設備要求
　　使用AD7280A評估板和EVAL-CED1Z板時(shí)，除電池連接以外的所有其它電源都由EVAL-CED1Z通過(guò)一個(gè)96路連接器提供。評估板發(fā)貨時(shí)，我們假定用戶(hù)將采用EVAL-CED1Z板工作。相關(guān)連接已設置就緒，所有電源和控制信號都由EVAL-CED1Z提供。
　　
　　與EVAL-CED1Z和AD7280A通信的軟件隨AD7280A評估板支持包提供。
　　
　　EVAL-CED1Z板為評估板提供所有電源。它采用一個(gè)+7 V、15 W壁式電源適配器供電，該適配器接受100 V至240 V的交流輸入電壓，并且包括全球通用的相關(guān)轉接器。電源通過(guò)EVAL-CED1Z提供。
　　
　　EVAL-CED1Z與PC的USB端口之間通過(guò)一條標準USB 2.0連接電纜連接，該電纜是EVAL-CED1Z包的一部分。
　　
開(kāi)始使用
　　有關(guān)硬件設置和軟件安裝的詳細信息，請參見(jiàn)UG-252。
　　
功能框圖
　　AD7280A評估板的框圖參見(jiàn)本電路筆記的圖1和UG-252。
　　
設置與測試
　　基本測試設置由AD7280A評估板與EVAL-CED1Z轉換器評估板連接而成，此外只需連接鋰離子電池組。電池組可以用一個(gè)由精密直流電源電壓驅動(dòng)的電阻分壓器來(lái)模擬。