目前隨著鋰離子電池的推廣及大量應(yīng)用，鋰離子電池深受社會(huì)和用戶的歡迎。日常生活中，人們所用的手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)及眾多的便攜式設(shè)備均已使用鋰離子電池作為電源。鋰離子(Li-Ion)電池組包含大量的電池單元，必須正確監(jiān)控才能提高電池效率，延長(zhǎng)電池壽命。圖1所示電路中的6通道AD7280A 充當(dāng)主監(jiān)控器，向電池管理控制器(BMC)提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。
AD7280A內(nèi)置一個(gè)±3 ppm基準(zhǔn)電壓源，提供±1.6 mV的電池電壓測(cè)量精度。ADC分辨率為12位，轉(zhuǎn)換48個(gè)單元只需7 μs時(shí)間。

AD7280A位于電池管理系統(tǒng)(BMS)的高壓端，具有一個(gè)菊花鏈接口，最多能將8個(gè)AD7280A堆疊在一起，以監(jiān)控48個(gè)鋰離子電池單元的電壓。堆疊中的相鄰AD7280A可以直接通信，向上向下傳遞數(shù)據(jù)，而無需隔離。堆疊底部的AD7280A主器件使用SPI接口與BMC通信，只有在這個(gè)地方才需要高壓電流隔離，以便保護(hù)BMS的低壓端。數(shù)字隔離器 ADuM1201 和集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的隔離器ADuM5401共同提供所需的6通道隔離，構(gòu)成一種緊湊、高性價(jià)比的解決方案。

圖1. 帶隔離功能的AD7280A菊花鏈配置電路（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

AD7280A菊花鏈從它監(jiān)控的電池單元獲得電源。ADuM5401集成一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于向ADuM1201的高壓端供電，向AD7280A SPI接口提供VDRIVE 電源，以及向AD7280A菊花鏈電路提供關(guān)斷信號(hào)。如果BMS低壓端的+5 V電源被拉低，則隔離器和AD7280A菊花鏈關(guān)斷。同樣，如果來自BMC的PD信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^ ADG849 開關(guān)路由的ADuM5401低壓電源將被拉低，這也會(huì)使隔離器和AD7280A菊花鏈發(fā)生硬件關(guān)斷。

為了優(yōu)化菊花鏈在高噪聲條件下的通信性能（例如遇到電池干擾時(shí)），菊花鏈信號(hào)被屏蔽在印刷電路板(PCB)的一個(gè)內(nèi)層上，上下都由VSS 電源層提供屏蔽，該電源層連接到菊花鏈中上一個(gè)器件的VSS引腳。圖2所示為eval-AD7280AEDZ PCB的頂層，它包含上部屏蔽。

圖3所示為內(nèi)層（第2層），它包含屏蔽的菊花鏈信號(hào)，下方的屏蔽在圖4所示的第3層上實(shí)現(xiàn)。每個(gè)菊花鏈連接上都配有22 pF電容，根據(jù)菊花鏈的數(shù)據(jù)流方向，這些電容端接于上一個(gè)器件的VSS 引腳或下一個(gè)器件的VDD 引腳。PD, CS, SCLK, SDI 和 CNVST 菊花鏈連接沿菊花鏈向上傳遞數(shù)據(jù)，因此這些引腳上的22 pF電容端接于上一個(gè)器件的VSS引腳。

SDOlo和alertlo菊花鏈連接沿菊花鏈向下傳遞數(shù)據(jù)，因此這些引腳上的22 pF電容端接于下一個(gè)器件的VDD 引腳。使用一條低阻抗走線將下一個(gè)器件的VDD 與上一個(gè)器件的 VSS直接相連，使這兩個(gè)電位在高噪聲環(huán)境下盡可能接近。

圖3. eval-AD7280AEDZ PCB的第2層包含屏蔽的菊花鏈信號(hào)

圖4. eval-AD7280AEDZ PCB的第3層包含菊花鏈信號(hào)的下部屏蔽

隔離柵處的接地護(hù)欄用于圍住PCB左側(cè)構(gòu)成的低壓端。該護(hù)欄由通過過孔系在一起的保護(hù)環(huán)組成，連接到板上所有層的數(shù)字地。到達(dá)電路板邊緣的電源層與接地層上的噪聲可能會(huì)輻射，但采用這種屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，噪聲會(huì)被反射回來。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流源跨過接地層之間的間隙時(shí)，也可能產(chǎn)生輸入至輸出的偶極子輻射。為將這種效應(yīng)降至最小，隔離間隙處使用一個(gè)連續(xù)的屏蔽體，從而將接地層擴(kuò)展至PCB的所有層上，以利用屏蔽重疊部分構(gòu)成跨隔離柵耦合。各層上的隔離間隙保持最小，測(cè)試板使用0.4 mm的間隙。

測(cè)試結(jié)果

衡量該電路性能的一個(gè)重要指標(biāo)是最終輸出電壓測(cè)量結(jié)果中的噪聲量。

圖5所示為VIN3?VIN2通道的10,000個(gè)測(cè)量樣本的直方圖。此數(shù)據(jù)利用與eval-CED1Z轉(zhuǎn)換器評(píng)估與開發(fā)板相連的AD7280評(píng)估板測(cè)得。
使用一個(gè)由電源電壓驅(qū)動(dòng)的電阻分壓器串來模擬電池電壓。捕捉到的碼字2675代表3.612 V，這是典型的鋰離子電池電壓。注意，只有一小部分碼字受噪聲影響而落在主倉之外。

圖5. 10,000樣本的碼字直方圖（VIN3 – VIN2通道）

總結(jié)

經(jīng)驗(yàn)證，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。利用 iCoupler® 隔離產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)其它的隔離通道組合。例如，可以額外增加一個(gè)隔離通道來支持AD7280A的 PD 信號(hào)，而不是像本電路一樣節(jié)省一個(gè)通道并使用VISO輸出電源來驅(qū)動(dòng)AD7280A的PD 信號(hào)。選擇哪些信號(hào)通過哪個(gè)隔離器也是可以改變的。本電路中，4個(gè)SPI信號(hào)（SCLK, CS, SDI和SDO）通過ADuM5401隔離器，CNVST 和alert信號(hào)通過ADuM1201隔離器。