MAX17823B：助力電池管理的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，電池管理系統(tǒng)（BMS）的重要性不言而喻，尤其是在電動汽車（EVs）、混合動力電動汽車（HEVs）等高電壓應(yīng)用場景下，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集對于電池的安全、高效運行起著關(guān)鍵作用。MAX17823B作為一款12通道高壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為這些應(yīng)用提供了一個強大而可靠的解決方案。本文將深入剖析MAX17823B的特點、工作原理、應(yīng)用場景以及設(shè)計注意事項，希望能為電子工程師們提供有價值的參考。

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MAX17823B的主要特點

高性能數(shù)據(jù)采集

MAX17823B配備了12位的逐次逼近寄存器（SAR）ADC，能夠在161μs內(nèi)完成12個電池單元電壓和2個溫度的測量。這種快速測量能力使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取電池的狀態(tài)信息，為電池管理提供及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在典型的工作條件下（3.6V電池單元，25°C），電池單元電壓測量的精度可達2mV，確保了測量結(jié)果的可靠性。

廣泛的應(yīng)用范圍

該系統(tǒng)適用于多種類型的高壓電池組，包括電動汽車、混合動力汽車、電動自行車、不間斷電源（UPS）、超級電容系統(tǒng)以及電池供電工具等。其AEC - Q100 Grade 2的溫度范圍（ - 40°C至105°C），使其能夠在惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，滿足了汽車電子等對可靠性要求極高的應(yīng)用場景。

低功耗設(shè)計

在低功耗方面，MAX17823B表現(xiàn)出色。在待機模式下，電流僅為2mA；而在關(guān)機模式下，電流更是低至2μA。這種低功耗特性有助于延長電池的使用壽命，減少系統(tǒng)的能量損耗，提高整個電池管理系統(tǒng)的效率。

強大的通信能力

采用Maxim的電池管理UART協(xié)議，支持高達2Mbps的波特率，并且能夠自動檢測波特率。通過最多可將32個設(shè)備進行菊花鏈連接，能夠同時管理多達384個電池單元并監(jiān)測64個溫度點，實現(xiàn)了大規(guī)模電池組的集中管理和監(jiān)測。同時，通信端口具有隔離功能，能夠有效抵御外界干擾，確保通信的穩(wěn)定性和可靠性。

豐富的診斷功能

內(nèi)置了廣泛的診斷功能，能夠檢測各種故障情況，如過電壓、欠電壓、過溫度、欠溫度、電池單元不匹配等。系統(tǒng)還提供了29個電壓閾值警報，能夠及時發(fā)現(xiàn)電池系統(tǒng)中的潛在問題，并通過相應(yīng)的警報位通知主機進行處理，大大提高了電池管理系統(tǒng)的安全性和可靠性。

工作原理與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)

MAX17823B主要由ADC、HVMUX、HV Charge Pump、LSAMP、LVMUX、ALTMUX、BALSW、LINREG、REF、ALTREF、16MHz OSC、32kHz OSC、LOWER PORT、UPPER PORT以及CONTROL AND STATUS等模塊組成。

ADC采用12位的SAR架構(gòu)，以2.307V的參考電壓工作，由VAA供電。HVMUX和ALTMUX分別用于對電池單元電壓和平衡開關(guān)輸入進行多路選擇。HV Charge Pump為需要切換高壓信號的電路提供高電壓電源（VDCIN + 5.5V）。LSAMP將輸入的5V差分信號衰減到2.307V，以適應(yīng)ADC的參考電壓范圍。LINREG則提供3.3V的線性穩(wěn)壓輸出，為ADC和數(shù)字邏輯電路供電。

數(shù)據(jù)采集過程

1. 轉(zhuǎn)換：ADC對單個輸入通道進行采樣，將其轉(zhuǎn)換為12位的二進制值，并存儲在ALU寄存器中。
2. 掃描：ADC按順序?qū)λ袉⒂玫碾姵貑卧斎胪ǖ肋M行轉(zhuǎn)換。
3. 測量周期或采樣：為了最小化誤差，ADC會進行兩次掃描。將每個輸入通道的兩次轉(zhuǎn)換結(jié)果進行平均，形成一個14位的二進制值，稱為一次測量。需要注意的是，輔助輸入僅進行一次掃描并創(chuàng)建輔助測量。
4. 采集或采集模式：如果啟用了過采樣功能，ADC會進行連續(xù)測量，并將這些測量結(jié)果平均，為每個采樣的輸入通道形成一個14位的二進制值。如果沒有啟用過采樣，采集過程本質(zhì)上就是一次測量周期。輔助輸入永遠(yuǎn)不會進行過采樣，其測量結(jié)果以12位值的形式存儲。

電池單元電壓測量

最多可從13個電池單元輸入中差分采樣12個電壓測量值。差分信號VCELLn定義為V Cn - V Cn - 1（n = 1至12）。通過MEASUREEN[11:0]選擇要測量的電池單元。在掃描過程中，每個選定的信號被多路傳輸?shù)诫娖睫D(zhuǎn)換放大器（LSAMP）中。由于輸入信號的共模范圍為0V至65V，因此信號必須進行電平轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)放大器的共模范圍。放大器的增益為6/13，使得5V的差分信號被衰減到2.307V，即ADC的參考電壓。一旦信號得到適當(dāng)調(diào)理，ADC就可以開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在ALU寄存器中，并與后續(xù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行平均。

溫度測量

系統(tǒng)提供兩個溫度測量通道，可用于測量外部溫度和芯片自身的溫度。通過將AUXIN1和AUXIN2輸入連接到由10KΩ上拉電阻和10KΩ NTC熱敏電阻組成的分壓器上，可測量外部溫度。芯片內(nèi)部的PTAT電壓源可用于測量芯片溫度，通過設(shè)置DIAGSEL[2:0]為0b110可啟用該測量功能。

應(yīng)用場景與設(shè)計要點

車輛應(yīng)用

在電動汽車和混合動力汽車中，電池組通常由多個電池單元串聯(lián)組成。MAX17823B可以對這些電池單元的電壓和溫度進行實時監(jiān)測，確保電池的安全和高效運行。在設(shè)計時，需要考慮電池模塊的最小工作電壓，通常V DCIN的最小值為9V，這意味著每個模塊至少需要2個鋰離子電池、6個鎳氫電池或6個超級電容。

電池管理系統(tǒng)架構(gòu)

菊花鏈系統(tǒng)

采用單個數(shù)據(jù)鏈路連接主機和所有電池模塊，減少了成本，并且只需要在最低模塊和主機之間使用一個隔離器。然而，在設(shè)計時需要注意數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t問題，每個設(shè)備會引入最大1.5μs（2Mbps時）的延遲。

分布式模塊通信系統(tǒng)

為每個電池模塊提供獨立的數(shù)據(jù)鏈路和隔離器，提高了系統(tǒng)的可靠性，但相應(yīng)地增加了成本。

電源連接與保護

MAX17823B可以直接從電池模塊電壓獲取電源，但需要考慮電源的穩(wěn)定性和抗干擾能力。內(nèi)部電路采用72V耐壓的電池輸入和高電源抑制比（PSRR）的低壓穩(wěn)壓器，外部電路則通過濾波器和鉗位電路對DCIN輸入進行保護，以防止瞬態(tài)電壓對設(shè)備造成損害。

電池單元輸入連接

當(dāng)電池組中的電池單元數(shù)量少于12個時，應(yīng)優(yōu)先使用最低階的輸入（如C1和C0），并將其連接到最低共模信號上。未使用的電池單元輸入和開關(guān)輸入應(yīng)短路連接，同時需要配置TOPCELL寄存器，以屏蔽與未使用通道對應(yīng)的虛假警報。

外部電池平衡

如果需要更高的功率耗散，可以使用外部晶體管來切換電池平衡電流。內(nèi)部開關(guān)可以用于驅(qū)動外部晶體管，功率由外部限流電阻限制。在設(shè)計外部電池平衡電路時，需要選擇合適的晶體管和電阻，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

UART接口設(shè)計

UART接口是MAX17823B與主機通信的關(guān)鍵部分。為了保護UART引腳免受噪聲干擾，需要采用內(nèi)部和外部電路進行防護。推薦的外部濾波器和ESD保護電路可以有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在選擇UART的空閑模式時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景進行考慮。高阻態(tài)空閑模式可以降低線束的輻射發(fā)射，而低阻態(tài)空閑模式則更適合驅(qū)動電感負(fù)載，以減少振鈴現(xiàn)象。

診斷功能與故障檢測

內(nèi)置診斷功能

MAX17823B內(nèi)置了豐富的診斷功能，能夠檢測多種故障情況。例如，通過持續(xù)的電壓比較，可以檢測VAA欠電壓、VHV欠電壓、VHV過電壓以及VHV低裕量等問題；通過頻率比較，可以檢測32kHz振蕩器故障；通過通信錯誤檢查，可以檢測16MHz振蕩器故障、通信故障以及RX引腳的開路/短路問題等。

特定診斷程序

ALTREF診斷測量

通過測量備用參考電壓VALTREF，檢查ADC的主電壓參考是否正常。測量結(jié)果存儲在DIAG寄存器中，可以通過計算得到VALTREF的值，并與預(yù)期范圍進行比較，以判斷主電壓參考是否存在問題。

VAA診斷測量

驗證VAA是否在規(guī)定范圍內(nèi)。該診斷使用VTHRM作為ADC的參考電壓測量VREF，通過計算可以得到VAA的值，并與電氣特性表中提供的范圍進行比較。

LSAMP偏移診斷測量

測量電平轉(zhuǎn)換放大器的偏移量。在診斷過程中，將LSAMP的輸入短路，測量結(jié)果存儲在DIAG寄存器中。通過計算得到LSAMP的偏移量，并與規(guī)定范圍進行比較，以判斷放大器的偏移誤差是否會影響采集精度。

其他診斷

還可以進行多種其他診斷，如ADC零刻度和滿刻度診斷、平衡開關(guān)短路和開路診斷、感測線開路診斷等。這些診斷功能可以幫助工程師及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的潛在問題，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

故障檢測與處理

當(dāng)檢測到故障時，系統(tǒng)會相應(yīng)地設(shè)置警報位，主機可以通過讀取這些警報位來了解系統(tǒng)的狀態(tài)。在設(shè)計時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景制定相應(yīng)的故障處理策略，例如在檢測到電池單元過電壓或欠電壓時，及時采取措施進行電池平衡或保護，以避免電池?fù)p壞或安全事故的發(fā)生。

寄存器配置與命令協(xié)議

寄存器配置

MAX17823B提供了一系列的寄存器，用于配置系統(tǒng)的各種功能，如測量使能、掃描控制、警報使能、診斷配置等。通過合理配置這些寄存器，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的個性化需求。例如，通過MEASUREEN寄存器可以選擇要測量的電池單元和輔助輸入；通過SCANCTRL寄存器可以配置采集模式、掃描模式、過采樣等參數(shù)。

電池管理UART協(xié)議

該協(xié)議采用曼徹斯特編碼、奇偶校驗、字符幀和數(shù)據(jù)包錯誤檢查（PEC）等技術(shù)，確保了通信的可靠性和數(shù)據(jù)完整性。支持多種命令類型，如HELLOALL、WRITEALL、WRITEDEVICE、READALL、READDEVICE和ROLLCALL等，主機可以通過這些命令對設(shè)備進行初始化、配置和數(shù)據(jù)讀取等操作。

命令執(zhí)行流程

以HELLOALL命令為例，該命令用于初始化菊花鏈設(shè)備的地址。主機發(fā)送該命令后，地址信息會在菊花鏈中依次傳遞，每個設(shè)備的地址會自動遞增。主機可以通過返回的地址信息確定設(shè)備的數(shù)量，并使用READALL命令驗證地址寄存器的配置。

總結(jié)

MAX17823B作為一款高性能的12通道高壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，憑借其快速測量、低功耗、強大的通信和診斷功能等優(yōu)勢，為電池管理系統(tǒng)提供了一個全面而可靠的解決方案。在實際設(shè)計中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，合理配置系統(tǒng)參數(shù)，精心設(shè)計電路和通信協(xié)議，以充分發(fā)揮MAX17823B的性能優(yōu)勢，確保電池系統(tǒng)的安全、高效運行。希望本文能夠?qū)﹄娮庸こ處焸冊谑褂肕AX17823B進行電池管理系統(tǒng)設(shè)計時有所幫助。如果你在設(shè)計過程中有任何疑問或經(jīng)驗分享，歡迎在評論區(qū)留言交流。