鲁棒、低功耗的电池监控电路前端

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时间：2012-07-18
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电路功能与优势

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/230192.htm

图1所示电路为鲁棒的电池监控前端，专为可能发生瞬变的环境而设计，例如工业或过程自动化环境。该电路使用 ADG5408 4通道CMOS多路复用器，后接AD8226 仪表放大器，以低功耗和低成本精确监控各电池的电压，且无需额外的外部瞬变保护电路。

瞬变过压条件可造成传统CMOS开关发生闩锁。通过结隔离技术，PMOS和NMOS晶体管的N和P井形成寄生硅控整流器(SCR)电路。过压条件触发此SCR，导致电流被显著放大，进而引起闩锁。闩锁是一种在关闭电源之前会持续存在的不良高电流状态，它可能导致器件故障。

如果输入或输出引脚电压之一超过供电轨一个二极管压降以上，或者电源时序控制不当，则可发生闩锁。如果通道上出现故障，且信号超过最大额定值，则故障可触发典型CMOS器件的闩锁状态。

电路上电期间，也可能在CMOS开关上电前产生输入端电压，特别是使用多个电源为电路供电时。此条件可能超过器件的最大额定值，并触发闩锁状态。

本设计中使用的两个多路复用器和仪表放大器(IA)具有鲁棒的输入。ADG5408是防闩锁型高压8:1多路复用器。用于制造ADG5408的沟道隔离技术可防止闩锁状态，并减少外部保护短路。防闩锁不保证过压保护，仅表示开关会进入高电流SCR模式。ADG5408还具有8 kV人体模型静电放电(ESD)额定值(ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2010)。

AD8226是一款低成本、低功耗仪表放大器，具有鲁棒的输入，可处理相反供电轨最高达40 V的输入电压，同时将输出限制在供电轨内。例如，采用±18 V电源时，AD8226正或负输入的无损害摆幅为±22 V。AD8226的所有输入均通过内部二极管提供ESD保护。

电路描述

电池监控系统(BMS)需要在电池组内的每个电池两端施加个别电压，以评估电池的充电状态(SOC)和运行状态(SOH)。通过两个多路复用器实现电池组引脚的多路复用，如图1所示，可评估每个电池两端的电压。

一个多路复用器用于正引脚，另一个用于负引脚。此差分多路复用允许将单个仪表放大器用于最多八个通道。这样放大器不需要每个电池的共模电压供BMS使用。

ADG5408的每个通道具有低导通电阻，通常为13.5 Ω，整个温度范围内的最大值为22 Ω。输入失调电流最大值为2 nA时，通道电阻上的最大误差电压为44 nV。

图2显示典型CMOS开关（使用外延层）与ADG5408在接受闩锁测试时的结果对比。测试期间，将应力电流施加于引脚1 ms，此操作称为触发，触发后测量引脚上的电流。此特定测试在开关断开、漏极(D)设为VDD且源极(S)设为VSS时执行，如图3所示。接着源极电压被驱动至超过VSS，直至达到所需的触发电流。如果未发生闩锁，则引脚电流返回预触发值。发生闩锁后，引脚继续吸取电流，而不用触发电压驱动。只能通过关断器件来停止。

从图2可看出，此典型CMOS开关在−290 mA达到闩锁电流，而ADG5408不会发生闩锁，除非测试结束于−510 mA。

常见变化

对于堆叠使用四个或更少电池的应用，可使用单个ADG5409 的四个差分通道。ADG5409将四个差分输入切换为单个差分输出，且具有与ADG5408相同的防闩锁结构。

电路评估与测试

该电路使用 EVAL-CN0253-SDPZ 评估板，可单独用作评估板，或与EVAL-SDP-CS1Z系统演示平台(SDP)评估板配合使用。在独立模式下，A0、A1、A2和EN逻辑电平可由电路板上的链路或通过SMB连接器连接到电路板的外部来源控制。

如果需要电脑控制，可使用120引脚对接连接器将EVAL-SDP-CS1Z连接到EVAL-CN0253-SDPZ评估板。

设备要求

EVAL-CN0253-SDPZ评估板
±18 V电源
锂离子电池
用于测量输出的数字电压表
如果需要使用PC控制EVAL-CN0253-SDPZ板，额外要求包括：
带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32/64位）或Windows 7（32/64位）PC
EVAL-SDP-CS1Z SDP
CN-0253评估软件

开始使用仅在独立使用时需要EVAL-CN0253-SDPZ、电源和测试电池。
要使用PC对电路板进行编程，应安装评估软件。为此，须将CN-0253评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。打开“My Computer（我的电脑）”，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件，按照说明安装和使用评估软件。

测试设置的功能框图图4显示测试设置功能框图。EVAL-CN0253-SDPZ-SCH-Rev0.pdf 文件包含电路板的完整电路原理图。此文件位于CN-0253设计支持包中：(http://www.analog.com/CN0253-DesignSupport)。

设置电源输出关闭时，将+18 V电源连接到J3-1引脚(VDD_EXT)，将−18 V电源连接到J3-3引脚(VSS_EXT)，并将J3-2引脚(GND_EXT)接地。将测试电池接到电池连接。确保链路接头保留在未连接电池的电池连接上；也就是说，如果仅使用四个电池，剩余的四个电池连接应保持连接。

如果电路板需要电脑控制，必须移除以下链路接头：EN、A0、A1和A2。如果使用EVAL-SDP-CS1Z，请使用120引脚连接器将EVAL-SDP-CS1Z连接到EVAL-CN0253-SDPZ。使用尼龙五金配件固定连接。

测试为±18 V电源供电。使用电路板上的EN链路使能ADG5408多路复用器的输出。使用电路板上的A0、A1和A2链路选择测试电池。SMB连接器VOUT可用于连接独立的ADC评估板，例如EVAL-AD7298SDZ ，或者使用数字电压表手动测试。

如果需要电脑控制，请使用USB电缆将EVAL-SDP-CS1Z连接到PC。启动CN-0253评估软件。电池电压可依据手动测试方法测试。如果使用EVAL-SDP-CS1Z，可提供额外的5 V电源引脚。

关键词： 鲁棒 低功耗 电池监控电路 前端
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