开始使用我们的监控和保护IC来设计多数量电池

本培训课程介绍如何开始 使用我们适用于高电池节数电池的 监控和保护 IC。 其重点是 BQ76940 系列监控器件 和在使用这些器件进行设计时有用的信息。 ti.com 上提供了更多信息。 锂离子电池系统将具有 用于处理模拟电压的 AFE 功能、 用于响应电池状态的 MCU 以及 由相应的驱动器控制的 FET，该驱动器具有来自 AFE 或 MCU 的输入。 MCU 可以提供显示或与系统之间的通信功能。 提供了保险丝以限制电流。 此外，电池可能具有次级保护器 功能，可以激活或断开保险丝。 某些 TI 测量仪表在单个封装中包含了 AFE、驱动器 和 MCU 功能。 这提供了一个简单的紧凑型解决方案。 BQ40z50 和 BQ4050 支持三至四节电池。 BQ40z80 支持三至七节电池。 BQ76940 系列器件包含用于监控 电池和电流以及关闭 FET 的 AFE。 需要使用 MCU 在最初时和进行故障 恢复时启用 FET。 MCU 还可以提供其他保护、监测 或测量以及与外部世界之间的 通信功能。 如果需要，则必须单独提供高侧 FET 驱动器。 高侧开关使通信变得更简单。 BQ76940 器件连接至模拟信号。 因此它们具有模拟前端或 AFE。 它们还具有 ADC 并提供 数字输出，因此它们称为监控器件。 这两个术语可能都会在本演示中使用。 该系列中具有三种分别用于最多 5、10 或 15 节 电池的器件。 BQ40z50 或 BQ40z80 通常是用于三至 七节电池系统的较小、较紧凑的 解决方案。 测量仪表具有固定的算法，不过， 如果客户希望使用他们的电池 执行超出测量仪表能力的特殊 操作，则可以使用具有 MCU 的监控器。 当然，MCU 也可以与用于其他接口的 栅极配合使用。 那么，基本的 BQ76940 系统包含 用于监控电池和电流以及关闭低侧 FET 的 AFE。 需要使用 MCU 在最初时和进行故障 恢复时启用 FET。 它还提供其他保护、监测或 测量以及显示功能。 对于二端子电池，低侧开关很简单。 MCU 还可以提供与外部世界进行 通信的功能。 对于通信，我们需要在稍后讨论一些特殊的注意事项。 数据表中显示了方框图。 在顶部，有两个电源输入。 BAT 引脚针对大部分内部电路为 3.3 伏 稳压器提供电源。 REGSRC 引脚为其他电路提供 电源，其中包括 REGOUT，它供外部使用。 左侧是电池输入和温度检测。 这些通过 14 位 ADC 进行测量。 底部显示了电流检测。 提供了用于电流保护的 比较器和用于电流测量的 16 位 ADC。 配置数据在出厂时存储在 EPROM 中。 没有供应用使用的 EPROM。 BQ76920 的基本原理图包含 电源和电池监控器滤波器、 低侧检测电阻器、低侧功率 FET 和 通信线路，它们是 I2C。当您查看数据表时， 您会注意到该器件具有多个针对电源 电压定义的引脚。 如果您在电路板上执行焊接 X 射线检查， 您可能会注意到封装内的额外电线。 这是因为该系列为每个五节电池组 使用一个硅片。 BQ76930 包含两个裸片，BQ76940 包含三个裸片。 用于一个组的电力会流入下一个组， 中间引脚仅需要失调电流。 数据表中提供了电源电流和失调电流。 REGSRC 仅进入下部组， 以便为 FET、接口、电流测量系统和 外部稳压器供电。 对于系统设计人员而言，该架构会带来 一些折衷问题。 当您将电池短路时，会出现什么情况？ 实际上会发生两种类型的事件。 在第一类事件中，电池电流在延迟 时间内超过短路阈值， 然后 FET 关闭。 对于低短路阈值，电池电压 可能不会有明显下降， 情况可能基本保持正常。 对于真正的短路，电池电压可能会降低到 很低的水平。 100 安培的电流流入 100 毫欧的测试电阻 会导致 10 伏的电压降。 每个电池输入都会从其滤波 电容器和下部组电源滤波电容器中拉取电流。 电源滤波电容器必须足够大，以便 使器件保持活动状态，从而为保护事件计时。 在输入滤波电容的电荷 耗尽后，将通过 IC 引脚消耗电流。 输入电流受到滤波电阻器的 限制，对于该架构，这些电阻器必须较大。 因此内部电池平衡电流会较低。 在该示例中，采用 BQ76930 的六节电池 发生短路。 电流快速超过短路阈值， 达到约 130 安培。 当该器件对短路延迟进行计时时， 请注意电源电压下降。 下部组的电压下降的速度要快于上部组。 在经过短路延迟之后，放电输出关闭。 放电引脚需要一些时间对 FET 栅极进行放电。 BQ76930 和 BQ76940 器件具有电池组 之间的内部通信功能，用于控制和电压测量 报告。 该功能的优点是无需针对通信线路 进行电路板设计，但缺点是设计人员无法看到发生了 什么情况。 该器件按照计划开始进行通信。 如果八次传输中有五次失败，那么 该器件会设置 XREADY 故障并关闭 FET。 XREADY 功能无法由 MCU 进行屏蔽。 必须首先恢复通信，然后 MCU 才能清除故障并使 FET 导通。 电池电压会随负载而变化。 这会影响容量，如该图中所示， 但也表明电池电压将随负载的变化而 动态变化。 输入具有比电源引脚更轻滤波器。 随着电池电压动态变化，输入 电压可能会被拉至低于电源引脚。 该图中很可能会出现 VC5B， 因为它会检测与电源引脚相同的电池电压。 VC5B 的电源滤波器电容器与差分电容器 串相分离，以避免被推至低于 VC5X。 该器件无法测量低于电源引脚的电压。 在大电压变化下，可以通过输入引脚 消耗电流。 IC 设计包含该架构。 如果该变化使系统设计人员感到担忧， 则可以在外部添加肖特基二极管来 承载电流。 基本测量时序按照 250 毫秒的计划或时间轴运行。 电压测量和库仑计数器使用相同的 时间轴。 库仑计数器会在整个 250 毫秒的 时间内求积分，而间隔被划分 为 50 毫秒的时间段，以进行 电压测量。 从第一节电池开始按顺序对电池进行测量。 每隔两秒钟，就会从第五节 电池开始进行温度测量。 每个五节电池组具有其独立的计划 或时间轴，它们会相对于彼此发生变化。 通过使用内部 FET 将电池的顶部 和底部检测引脚拉在一起 来实现电池平衡。 电池平衡由主机进行控制。 该器件将设置电池平衡的 占空比，以便在平衡期间提供测量。 平衡会与每个组的调度程序 时间轴进行同步，从 I2C 命令到平衡 操作之间存在延迟。 请注意，主机执行的用于 打开和关闭平衡的快速写入可能不会 产生任何平衡操作。 当电池平衡运行时，调度 程序时间轴会拆分为 20 个 12.5 毫秒的时间段。 会在一个时间段内关闭平衡，以使输入 滤波器稳定。 然后开始按顺序对组中的五节电池 进行测量。 在进行电池测量之后，会再次打开平衡。 当需要测量温度时，会按顺序 对各节电池执行该测量。 由于会留出一个 12.5 毫秒的 时间间隔以实现稳定，因此不应使 输入滤波器过大，否则会在电池 电压中观察到赝像。 每个组的底部电池最可能显示任何影响， 因为它首先进行测量。 由于对于 BQ76930 和 BQ76940，该架构 需要使用较大的输入滤波电阻器， 因此通常会调节电容器。 EBM 使用较大的滤波器，可以 观察到电压偏移。 对于 BQ76930 和 BQ76940，内部 平衡电流受到大输入电阻器的限制， 需要使用外部电路来实现平缓的电流。 将 VCn 引脚拉在一起以实现平衡时， 电池电压会在电池顶部 和底部的输入滤波电阻器之间分配。 此时会有较小的电流流过电阻器和 IC。 输入滤波电阻器上的电压降会使 外部 FET 导通，以通过平衡电阻器消耗电流，从而 实现更高的电流。 大约可以为栅极提供 一半的电池电压。 N 或 P 沟道 FET 都可以与这些监控器配合使用， 因为在每节电池的顶部和底部都使用 电阻器。 电路中显示的齐纳二极管 在平衡期间不导通。 在电池短路或具有重负载期间， 电池电压可能会显著下降， 而滤波电容器会使 IC 输入引脚保持不变。 输入电阻器上的大电压可能会 很容易超过平衡 FET 绝对最大 栅极-源极电压。 齐纳二极管和电阻器会限制 FET 的电压并防止从滤波电容器消耗过大的电流。 该监控器系列是为随机电池连接设计的，但它 具有一些限制。 应该首先连接接地端和电池负极。 这是 IC 的基准。 连接电池输入后，差分电容器会 将电压分配到 IC 的各个输入端。 该图显示了电源组二的连接，其中 电流浪涌将对组电源滤波器和电池 进行充电。 请注意电压分配。 外部电池平衡电路可能对 引脚电压产生显著的影响。 在该采用 P 沟道平衡的示例中， 电池零单独地从电池负极路由 到电池。 电池四连接在电池负极后面。 浪涌电流将在 Rin4 上提供 16 伏的电压， 齐纳二极管将导通。 电池平衡 FET 将导通。 当电池四平衡 FET 导通时，它会 向 Rin3 电阻器提供电压，从而 将使该平衡 FET 导通。 该影响会沿着输入链一直继续， 从而使各个平衡 FET 依次导通。 在 VC0 断开的情况下，该有关连接电池六 输入二的示例显示可能会向 该器件施加超过较低输入绝对 最大值的大峰值电压。 通过在电路板上将 VC0 连接到电池 负极，可以消除前面示例中的 大电压尖峰。 在使用 N 沟道 FET 时，流入输入 滤波电阻器的浪涌电流不会 使平衡 FET 导通。 BQ76930 和 BQ76940 连接图显示了 所需的从顶部组输入端连接到 电源引脚的二极管。 输入电容器小于电源滤波 电容器，输入引脚电压将以 比滤波电容器电源更快的速度上升一个阶跃。 连接 BQ76930 或 BQ76940 的上部 电池后，电压上升的差异 很容易导致超过输入端的绝对 最大电压。 数据表中所述的二极管 对于将电压保持在限值之内而言很重要。 使用该二极管避免了从顶部电池到电源的 限制规格。 由于电路未使用二极管而损坏的 顶部电池输入端报告的电压通常比施加的电压低。 随机电池连接是该器件的一项 功能，但不具有支持的规格。 尽管该器件是为避免敏感性而 设计的，但它仍具有绝对最大 限值，所使用的组件可能会影响器件应力。 在所示的示例中，连接了电池 11， 从而使较小的 C11 能够获取大部分 电压，因为较大的 CF2 充电速度更慢。 所示的齐纳二极管可以 带来好处，因为底部的组电池 具有最低的输入绝对最大电压。 从底部向上的顺序电池连接 可向系统提供最小的电压阶跃。 从底部向上的组电源连接可 在各个输入端向组和电容分布 提供同步电源。 某些用户注意到了报告的某些 电池组电压的变化，这些组 无法满足数据表性能限制。 这些似乎与在组装期间由于 翘曲或安装应力在封装上导致的 机械应力相关。 该器件的回流焊已得到改进。 建议在组装期间避免电路板产生 翘曲或扭曲。 FET 驱动器是电阻驱动器。 数据表中提供了关闭电阻。 充电驱动器具有高电阻， 从而支持负载检测电路。 数据表中未提供驱动器的导通电阻， 但提供了上升时间，可以根据需要使用它 来计算值。 不过，标称导通电阻是 5k 欧姆。 FET 输出可直接驱动低侧大小 适中的放电 FET，并通过简单的 电路驱动充电 FET。 FET 驱动器包含用于根据需要 检测何时存在负载的电路。 必须关闭充电输出才能使 该机制正常运行。 当 PACK- 引脚上的电压将充电引脚 拉至高于阈值时，检测到负载。 通常，在连接负载并且 FET 关闭的情况下，PACK- 将被拉至 PACK+。 该电路必须限制流入充电引脚的 电流并防止在充电 FET 栅极上产生过高的栅极电压。 由于充电引脚测试电流较高， 产生的电压将超过许多外部 FET 的栅极-源极电压限制，因此谨慎的设计 人员可能希望在充电引脚上添加一个外部钳位齐纳二极管。 FET 驱动器的速度和驱动 强度由内部电阻进行固定。 在使用单个 FET 时，可以使用外部 电阻器来降低栅极开关速度。 对于较快的开关或多 FET 阵列，可以 通过添加外部驱动器来增强 放电 FET 驱动器。 充电 FET 开关速度在很大程度上取决于 R2 栅极-源极电阻器。 可以通过以更高静态电流的代价来对其 进行调节。 充电 FET 的缓冲器需要更复杂的电路， 因为 FET 可能会浮动至接地端以下。 缓冲器通常会阻止负载检测 功能运行。 许多系统中的 EVM 都可能具有反激式 二极管，用于钳制 PACK- 上的电感 瞬态。 这些会使反向充电器短路。 在需要耐受反向充电器的系统中， 低侧驱动器支持该功能。 在充电器反向的情况下，在保护 措施之后，PACK- 电压可能是电池电压的两倍。 必须相应地选择放电 FET 电压。 必须适当地选择充电引脚检测电阻器的大小， 以将电流保持在可接受的限值内。 BQ76940 系列提供了测量仪表 BQ78350。 该测量仪表基于成熟的微控制器， 能够以 CRC 或非 CRC 版本运行， 提供 2.5 的结果。 这是 01 前缀监控器件中的 00。 该测量仪表使用监控器保护提供基于固件的保护 限制和恢复，以实现更快的响应和二级 保护。 BQ78350 使用补偿放电终止电压 -- CEDV 监测 -- 并具有 SMBus 接口。 SMBus 和许多通信总线以低侧为基准。 当 BQ78350 通信以 PACK- 为基准时， 会在充电或放电条件下发生故障时 存在严重泄漏路径，这可能还会导致 BMS 单元损坏。 对于通信泄漏，有三种基本的解决方案。 第一种是接口隔离， 通常使用隔离器器件以电气方式实现，这 需要电源。 第二种是在发生故障时中断通信， 这可以消除泄漏，但会 阻止通信。 电池无法报告其故障状况， 接口无法帮助进行恢复。 第三种常见的方法是使用高侧开关。 使用 P 沟道 FET，它们具有处于 电池范围的控制电压，或者使用 N 沟道 FET， 它们需要高于电池正极的 电压。 BQ76200 是允许进行高侧开关的 电荷泵驱动器。 感谢您关注 BQ76940 系列器件。 请记住，可以从 ti.com 获取 更多信息。405