集成信号和电源隔离的锂离子电池组监控器

电路功能与优势
　　锂离子(Li-Ion)电池组包含大量的电池单元，必须正确监控才能提高电池效率，延长电池寿命。图1所示电路中的6通道AD7280A 充当主监控器，向电池管理控制器(BMC)提供精确的测量数据。
　　
　　AD7280A内置一个±3 ppm基准电压源，提供±1.6 mV的电池电压测量精度。ADC分辨率为12位，转换48个单元只需7 μs时间。
　　
　　AD7280A位于电池管理系统(BMS)的高压端，具有一个菊花链接口，最多能将8个AD7280A堆叠在一起，以监控48个锂离子电池单元的电压。堆叠中的相邻AD7280A可以直接通信，向上向下传递数据，而无需隔离。堆叠底部的AD7280A主器件使用SPI接口与BMC通信，只有在这个地方才需要高压电流隔离，以便保护BMS的低压端。数字隔离器 ADuM1201 和集成DC/DC转换器的隔离器ADuM5401共同提供所需的6通道隔离，构成一种紧凑、高性价比的解决方案。

图1. 带隔离功能的AD7280A菊花链配置电路（原理示意图：未显示去耦和所有连接）

电路描述
　　AD7280A菊花链从它监控的电池单元获得电源。ADuM5401集成一个DC/DC转换器，用于向ADuM1201的高压端供电，向AD7280A SPI接口提供VDRIVE 电源，以及向AD7280A菊花链电路提供关断信号。如果BMS低压端的+5 V电源被拉低，则隔离器和AD7280A菊花链关断。同样，如果来自BMC的PD信号变为低电平，通过 ADG849 开关路由的ADuM5401低压电源将被拉低，这也会使隔离器和AD7280A菊花链发生硬件关断。
　　
　　为了优化菊花链在高噪声条件下的通信性能（例如遇到电池干扰时），菊花链信号被屏蔽在印刷电路板(PCB)的一个内层上，上下都由VSS 电源层提供屏蔽，该电源层连接到菊花链中上一个器件的VSS引脚。图2所示为EVAL-AD7280AEDZ PCB的顶层，它包含上部屏蔽。图3所示为内层（第2层），它包含屏蔽的菊花链信号，下方的屏蔽在图4所示的第3层上实现。每个菊花链连接上都配有22 pF电容，根据菊花链的数据流方向，这些电容端接于上一个器件的VSS 引脚或下一个器件的VDD 引脚。PD, CS, SCLK, SDI 和 CNVST 菊花链连接沿菊花链向上传递数据，因此这些引脚上的22 pF电容端接于上一个器件的VSS引脚。

图2. EVAL-AD7280AEDZ PCB的顶层包含菊花链信号的上部屏蔽

　　SDOlo和ALERTlo菊花链连接沿菊花链向下传递数据，因此这些引脚上的22 pF电容端接于下一个器件的VDD 引脚。使用一条低阻抗走线将下一个器件的VDD 与上一个器件的 VSS直接相连，使这两个电位在高噪声环境下尽可能接近。

图3. EVAL-AD7280AEDZ PCB的第2层包含屏蔽的菊花链信号

图4. EVAL-AD7280AEDZ PCB的第3层包含菊花链信号的下部屏蔽

　　隔离栅处的接地护栏用于围住PCB左侧构成的低压端。该护栏由通过过孔系在一起的保护环组成，连接到板上所有层的数字地。到达电路板边缘的电源层与接地层上的噪声可能会辐射，但采用这种屏蔽结构时，噪声会被反射回来。
　　
　　当驱动电流源跨过接地层之间的间隙时，也可能产生输入至输出的偶极子辐射。为将这种效应降至最小，隔离间隙处使用一个连续的屏蔽体，从而将接地层扩展至PCB的所有层上，以利用屏蔽重叠部分构成跨隔离栅耦合。各层上的隔离间隙保持最小，测试板使用0.4 mm的间隙。
　　
测试结果
　　衡量该电路性能的一个重要指标是最终输出电压测量结果中的噪声量。
　　
　　图5所示为VIN3 VIN2通道的10,000个测量样本的直方图。此数据利用与EVAL-CED1Z转换器评估与开发板相连的AD7280评估板测得。
　　
　　使用一个由电源电压驱动的电阻分压器串来模拟电池电压。捕捉到的码字2675代表3.612 V，这是典型的锂离子电池电压。注意，只有一小部分码字受噪声影响而落在主仓之外。

图5. 10,000样本的码字直方图（VIN3 – VIN2通道）

常见变化
　　经验证，该电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。利用 iCoupler 隔离产品，可以实现其它的隔离通道组合。例如，可以额外增加一个隔离通道来支持AD7280A的 PD 信号，而不是像本电路一样节省一个通道并使用VISO输出电源来驱动AD7280A的PD 信号。选择哪些信号通过哪个隔离器也是可以改变的。本电路中，4个SPI信号（SCLK, CS, SDI和SDO）通过ADuM5401隔离器，CNVST 和ALERT信号通过ADuM1201隔离器。
　　
电路评估与测试
　　AD7280A评估板上使用图1所示电路。有关AD7280A评估板和测试方法的详细信息，参见 评估板用户指南UG-252。
　　
设备要求
　　使用AD7280A评估板和EVAL-CED1Z板时，除电池连接以外的所有其它电源都由EVAL-CED1Z通过一个96路连接器提供。评估板发货时，我们假定用户将采用EVAL-CED1Z板工作。相关连接已设置就绪，所有电源和控制信号都由EVAL-CED1Z提供。
　　
　　与EVAL-CED1Z和AD7280A通信的软件随AD7280A评估板支持包提供。
　　
　　EVAL-CED1Z板为评估板提供所有电源。它采用一个+7 V、15 W壁式电源适配器供电，该适配器接受100 V至240 V的交流输入电压，并且包括全球通用的相关转接器。电源通过EVAL-CED1Z提供。
　　
　　EVAL-CED1Z与PC的USB端口之间通过一条标准USB 2.0连接电缆连接，该电缆是EVAL-CED1Z包的一部分。
　　
开始使用
　　有关硬件设置和软件安装的详细信息，请参见UG-252。
　　
功能框图
　　AD7280A评估板的框图参见本电路笔记的图1和UG-252。
　　
设置与测试
　　基本测试设置由AD7280A评估板与EVAL-CED1Z转换器评估板连接而成，此外只需连接锂离子电池组。电池组可以用一个由精密直流电源电压驱动的电阻分压器来模拟。