集成信號和電源隔離的鋰離子電池組監(jiān)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(jiān)控才能提高電池效率，延長電池壽命。圖1所示電路中的6通道AD7280A 充當(dāng)主監(jiān)控器，向電池管理控制器(BMC)提供精確的測量數(shù)據(jù)。
　　
　　AD7280A內(nèi)置一個±3 ppm基準(zhǔn)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(zhuǎn)換48個單元只需7 μs時間。
　　
　　AD7280A位于電池管理系統(tǒng)(BMS)的高壓端，具有一個菊花鏈接口，最多能將8個AD7280A堆疊在一起，以監(jiān)控48個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(shù)據(jù)，而無需隔離。堆疊底部的AD7280A主器件使用SPI接口與BMC通信，只有在這個地方才需要高壓電流隔離，以便保護(hù)BMS的低壓端。數(shù)字隔離器 ADuM1201 和集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的隔離器ADuM5401共同提供所需的6通道隔離，構(gòu)成一種緊湊、高性價比的解決方案。

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(jiān)控的電池單元獲得電源。ADuM5401集成一個DC/DC轉(zhuǎn)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，如果來自BMC的PD信號變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^ ADG849 開關(guān)路由的ADuM5401低壓電源將被拉低，這也會使隔離器和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），菊花鏈信號被屏蔽在印刷電路板(PCB)的一個內(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(nèi)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層上實現(xiàn)。每個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器件的VSS 引腳或下一個器件的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(shù)據(jù)，因此這些引腳上的22 pF電容端接于下一個器件的VDD 引腳。使用一條低阻抗走線將下一個器件的VDD 與上一個器件的 VSS直接相連，使這兩個電位在高噪聲環(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(hù)欄用于圍住PCB左側(cè)構(gòu)成的低壓端。該護(hù)欄由通過過孔系在一起的保護(hù)環(huán)組成，連接到板上所有層的數(shù)字地。到達(dá)電路板邊緣的電源層與接地層上的噪聲可能會輻射，但采用這種屏蔽結(jié)構(gòu)時，噪聲會被反射回來。
　　
　　當(dāng)驅(qū)動電流源跨過接地層之間的間隙時，也可能產(chǎn)生輸入至輸出的偶極子輻射。為將這種效應(yīng)降至最小，隔離間隙處使用一個連續(xù)的屏蔽體，從而將接地層擴(kuò)展至PCB的所有層上，以利用屏蔽重疊部分構(gòu)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(jié)果
　　衡量該電路性能的一個重要指標(biāo)是最終輸出電壓測量結(jié)果中的噪聲量。
　　
　　圖5所示為VIN3?VIN2通道的10,000個測量樣本的直方圖。此數(shù)據(jù)利用與EVAL-CED1Z轉(zhuǎn)換器評估與開發(fā)板相連的AD7280評估板測得。
　　
　　使用一個由電源電壓驅(qū)動的電阻分壓器串來模擬電池電壓。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）

常見變化
　　經(jīng)驗證，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。利用 iCoupler? 隔離產(chǎn)品，可以實現(xiàn)其它的隔離通道組合。例如，可以額外增加一個隔離通道來支持AD7280A的 PD 信號，而不是像本電路一樣節(jié)省一個通道并使用VISO輸出電源來驅(qū)動AD7280A的PD 信號。選擇哪些信號通過哪個隔離器也是可以改變的。本電路中，4個SPI信號（SCLK, CS, SDI和SDO）通過ADuM5401隔離器，CNVST 和ALERT信號通過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(xì)信息，參見 評估板用戶指南UG-252。
　　
設(shè)備要求
　　使用AD7280A評估板和EVAL-CED1Z板時，除電池連接以外的所有其它電源都由EVAL-CED1Z通過一個96路連接器提供。評估板發(fā)貨時，我們假定用戶將采用EVAL-CED1Z板工作。相關(guān)連接已設(shè)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+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(zhuǎn)接器。電源通過EVAL-CED1Z提供。
　　
　　EVAL-CED1Z與PC的USB端口之間通過一條標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0連接電纜連接，該電纜是EVAL-CED1Z包的一部分。
　　
開始使用
　　有關(guān)硬件設(shè)置和軟件安裝的詳細(xì)信息，請參見UG-252。
　　
功能框圖
　　AD7280A評估板的框圖參見本電路筆記的圖1和UG-252。
　　
設(shè)置與測試
　　基本測試設(shè)置由AD7280A評估板與EVAL-CED1Z轉(zhuǎn)換器評估板連接而成，此外只需連接鋰離子電池組。電池組可以用一個由精密直流電源電壓驅(qū)動的電阻分壓器來模擬。