魯棒、低功耗的電池監(jiān)控電路前端

電路功能與優(yōu)勢

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1. 魯棒的電池監(jiān)控電路原理示意圖（未顯示所有連接和去耦）

圖2顯示典型CMOS開關(guān)（使用外延層）與ADG5408在接受閂鎖測試時(shí)的結(jié)果對比。測試期間，將應(yīng)力電流施加于引腳1 ms，此操作稱為觸發(fā)，觸發(fā)后測量引腳上的電流。此特定測試在開關(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。只能通過關(guān)斷器件來停止。

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不會發(fā)生閂鎖，除非測試結(jié)束于?510 mA。

圖2. 閂鎖后觸發(fā)電流對比

圖3. 閂鎖測試配置（預(yù)觸發(fā)）

常見變化

對于堆疊使用四個(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)。