魯棒、低功耗的電池監控電路前端

電路功能與優勢

圖1所示電路為魯棒的電池監控前端，專為可能發生瞬變的環境而設計，例如工業或過程自動化環境。該電路使用 ADG5408 4通道CMOS多路復用器，后接AD8226 儀表放大器，以低功耗和低成本精確監控各電池的電壓，且無需額外的外部瞬變保護電路。

瞬變過壓條件可造成傳統CMOS開關發生閂鎖。通過結隔離技術，PMOS和NMOS晶體管的N和P井形成寄生硅控整流器(SCR)電路。過壓條件觸發此SCR，導致電流被顯著放大，進而引起閂鎖。閂鎖是一種在關閉電源之前會持續存在的不良高電流狀態，它可能導致器件故障。

如果輸入或輸出引腳電壓之一超過供電軌一個二極管壓降以上，或者電源時序控制不當，則可發生閂鎖。如果通道上出現故障，且信號超過最大額定值，則故障可觸發典型CMOS器件的閂鎖狀態。

電路上電期間，也可能在CMOS開關上電前產生輸入端電壓，特別是使用多個電源為電路供電時。此條件可能超過器件的最大額定值，并觸發閂鎖狀態。

本設計中使用的兩個多路復用器和儀表放大器(IA)具有魯棒的輸入。ADG5408是防閂鎖型高壓8:1多路復用器。用于制造ADG5408的溝道隔離技術可防止閂鎖狀態，并減少外部保護短路。防閂鎖不保證過壓保護，僅表示開關會進入高電流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40 V的輸入電壓，同時將輸出限制在供電軌內。例如，采用±18 V電源時，AD8226正或負輸入的無損害擺幅為±22 V。AD8226的所有輸入均通過內部二極管提供ESD保護。

電路描述

電池監控系統(BMS)需要在電池組內的每個電池兩端施加個別電壓，以評估電池的充電狀態(SOC)和運行狀態(SOH)。通過兩個多路復用器實現電池組引腳的多路復用，如圖1所示，可評估每個電池兩端的電壓。

一個多路復用器用于正引腳，另一個用于負引腳。此差分多路復用允許將單個儀表放大器用于最多八個通道。這樣放大器不需要每個電池的共模電壓供BMS使用。

ADG5408的每個通道具有低導通電阻，通常為13.5 Ω，整個溫度范圍內的最大值為22 Ω。輸入失調電流最大值為2 nA時，通道電阻上的最大誤差電壓為44 nV。

圖2顯示典型CMOS開關（使用外延層）與ADG5408在接受閂鎖測試時的結果對比。測試期間，將應力電流施加于引腳1 ms，此操作稱為觸發，觸發后測量引腳上的電流。此特定測試在開關斷開、漏極(D)設為VDD且源極(S)設為VSS時執行，如圖3所示。接著源極電壓被驅動至超過VSS，直至達到所需的觸發電流。如果未發生閂鎖，則引腳電流返回預觸發值。發生閂鎖后，引腳繼續吸取電流，而不用觸發電壓驅動。只能通過關斷器件來停止。

從圖2可看出，此典型CMOS開關在?290 mA達到閂鎖電流，而ADG5408不會發生閂鎖，除非測試結束于?510 mA。

常見變化

對于堆疊使用四個或更少電池的應用，可使用單個ADG5409 的四個差分通道。ADG5409將四個差分輸入切換為單個差分輸出，且具有與ADG5408相同的防閂鎖結構。

電路評估與測試

該電路使用 EVAL-CN0253-SDPZ 評估板，可單獨用作評估板，或與EVAL-SDP-CS1Z系統演示平臺(SDP)評估板配合使用。在獨立模式下，A0、A1、A2和EN邏輯電平可由電路板上的鏈路或通過SMB連接器連接到電路板的外部來源控制。

如果需要電腦控制，可使用120引腳對接連接器將EVAL-SDP-CS1Z連接到EVAL-CN0253-SDPZ評估板。

設備要求

EVAL-CN0253-SDPZ評估板
±18 V電源
鋰離子電池
用于測量輸出的數字電壓表
如果需要使用PC控制EVAL-CN0253-SDPZ板，額外要求包括：
帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?（32/64位）或Windows 7（32/64位）PC
EVAL-SDP-CS1Z SDP
CN-0253評估軟件

開始使用僅在獨立使用時需要EVAL-CN0253-SDPZ、電源和測試電池。
要使用PC對電路板進行編程，應安裝評估軟件。為此，須將CN-0253評估軟件光盤放進PC的光盤驅動器，加載評估軟件。打開“My Computer（我的電腦）”，找到包含評估軟件光盤的驅動器，打開Readme文件，按照說明安裝和使用評估軟件。

測試設置的功能框圖圖4顯示測試設置功能框圖。EVAL-CN0253-SDPZ-SCH-Rev0.pdf 文件包含電路板的完整電路原理圖。此文件位于CN-0253設計支持包中：(http://www.analog.com/CN0253-DesignSupport)。

設置電源輸出關閉時，將+18 V電源連接到J3-1引腳(VDD_EXT)，將?18 V電源連接到J3-3引腳(VSS_EXT)，并將J3-2引腳(GND_EXT)接地。將測試電池接到電池連接。確保鏈路接頭保留在未連接電池的電池連接上；也就是說，如果僅使用四個電池，剩余的四個電池連接應保持連接。

如果電路板需要電腦控制，必須移除以下鏈路接頭：EN、A0、A1和A2。如果使用EVAL-SDP-CS1Z，請使用120引腳連接器將EVAL-SDP-CS1Z連接到EVAL-CN0253-SDPZ。使用尼龍五金配件固定連接。

測試為±18 V電源供電。使用電路板上的EN鏈路使能ADG5408多路復用器的輸出。使用電路板上的A0、A1和A2鏈路選擇測試電池。SMB連接器VOUT可用于連接獨立的ADC評估板，例如EVAL-AD7298SDZ ，或者使用數字電壓表手動測試。

如果需要電腦控制，請使用USB電纜將EVAL-SDP-CS1Z連接到PC。啟動CN-0253評估軟件。電池電壓可依據手動測試方法測試。如果使用EVAL-SDP-CS1Z，可提供額外的5 V電源引腳。