Maxim MAX14920/MAX14921：高精度多節(jié)電池測量AFE的綜合解析

作為電子工程師，在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計中，高精度的電池測量至關(guān)重要。今天我要和大家詳細介紹Maxim Integrated推出的兩款高精度多節(jié)電池測量模擬前端（AFE）器件——MAX14920和MAX14921，希望能為大家在相關(guān)設(shè)計中提供一些有價值的參考。

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一、產(chǎn)品概述

MAX14920和MAX14921主要用于多節(jié)電池測量系統(tǒng)，能精準監(jiān)測多達16節(jié)、最高電壓達+65V的主/次級電池組。其中，MAX14920可監(jiān)測最多12節(jié)電池，MAX14921則能監(jiān)測最多16節(jié)電池。它們具備同時采樣所有電池電壓的能力，這對于準確確定電池的荷電狀態(tài)（SOC）和內(nèi)阻非常關(guān)鍵。而且，所有電池電壓都能以單位增益轉(zhuǎn)換為地參考電壓，大大簡化了外部ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。

二、關(guān)鍵特性

（一）高精度測量

• 低電壓誤差：最大電池電壓誤差僅為±0.5mV，能為電池狀態(tài)監(jiān)測提供極為精確的數(shù)據(jù)。
• 同步采樣：可同時對所有電池電壓進行采樣，確保在任何時刻都能獲取準確的電池電壓信息，即使在瞬態(tài)負載電流條件下也能精準測量。
• 自校準功能：通過內(nèi)部校準機制，可有效降低測量誤差，提高測量的準確性和穩(wěn)定性。

（二）集成診斷功能

• 故障檢測：能夠檢測開路和短路故障，及時發(fā)現(xiàn)電池連接中的問題，保障電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
• 過欠壓警告：當電池電壓超出正常范圍時，能及時發(fā)出警告信號，提醒用戶采取相應(yīng)措施，避免電池過充或過放。
• 熱關(guān)斷保護：當器件溫度過高時，自動進入熱關(guān)斷狀態(tài)，防止器件因過熱損壞，延長器件使用壽命。

（三）高靈活性設(shè)計

• SPI接口：支持SPI接口，且可進行菊花鏈連接，方便與其他設(shè)備進行通信和級聯(lián)，實現(xiàn)大規(guī)模電池管理系統(tǒng)的設(shè)計。
• 多節(jié)電池支持：提供12節(jié)和16節(jié)電池監(jiān)測版本，可根據(jù)實際應(yīng)用需求靈活選擇。
• 寬電壓范圍：最低可支持+6V（約3節(jié)電池）的總堆棧電壓，適用于多種不同類型的電池組。
• 集成電池平衡驅(qū)動：內(nèi)置電池平衡FET驅(qū)動，可實現(xiàn)被動電池平衡功能，提高電池組的一致性和使用壽命。
• 集成5V LDO：內(nèi)部集成5V低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，減少外部元件數(shù)量，降低設(shè)計成本。

（四）低功耗特性

• 低功耗模式：在關(guān)斷模式下，功耗僅為1μA，有效降低系統(tǒng)功耗，延長電池續(xù)航時間。
• 低電池電流消耗：每節(jié)電池的電流消耗僅為1μA/10μA，進一步降低了系統(tǒng)的整體功耗。

三、電氣特性

（一）電源相關(guān)參數(shù)

• 供電電壓范圍：VP供電電壓范圍為+6V至+65V，LDOIN供電電壓范圍同樣為+6V至+65V，VA模擬供電電壓范圍為+4.75V至+5.25V，VL供電電壓范圍為+1.62V至+5.5V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 供電電流：在不同工作模式下，各電源引腳的電流消耗有所不同。例如，在關(guān)斷模式下，IP_OFF最大為1μA，LDOIN_OFF典型值為75μA；在正常工作模式下，IP_ON典型值為150μA，LDOIN_ON典型值為500μA。

（二）輸入輸出特性

• 模擬輸入：模擬輸入信號范圍、輸入漏電流等參數(shù)都有明確的規(guī)定。例如，T1、T2、T3輸入信號范圍為0至VA，輸入漏電流最大為±1μA。
• 模擬輸出：AOUT輸出信號范圍為0至+0.3VA - 0.3V，放大器偏移電壓最大為±100μV，增益誤差最大為±0.2mV，能為后續(xù)電路提供穩(wěn)定、準確的輸出信號。

（三）動態(tài)特性

• 建立時間：AOUT建立時間最大為5μs，采樣時間為40ms，能快速響應(yīng)電池電壓的變化，實現(xiàn)實時監(jiān)測。
• 延遲時間：電平轉(zhuǎn)換延遲時間最大為50μs，確保電池電壓能及時準確地轉(zhuǎn)換為地參考電壓。

四、工作原理

（一）電壓采樣

通過連接在CTn和CBn引腳之間的采樣電容來跟蹤所有電池的電壓。當SMPLB位為0且SAMPL輸入為高電平時，采樣電容跟蹤電池電壓；當SMPLB位為1且SAMPL輸入變?yōu)榈碗娖綍r，所有電池電壓同時被采樣并保持在采樣電容上。

（二）電壓讀取

當SMPLB位為高或SAMPL輸入為低時，采樣開關(guān)在0.5μs（典型值）后打開，電池電壓被保持在外部采樣電容上。在tLS_DELAY < 50μs（最大值）的時間內(nèi)，電容電壓被轉(zhuǎn)換為地參考電壓，此時可通過SPI控制順序讀取電池電壓。

（三）測量精度

電池電壓測量精度受四個因素影響：

• 采樣時間與RC時間常數(shù)的關(guān)系：采樣時間應(yīng)與RC時間常數(shù)相匹配，以確保準確采樣。
• CT_引腳漏電導致的電壓下降：CT引腳漏電會導致電壓下降，可通過公式(V{ERRLEAK }=frac{I{CTLeAK }}{C{SAMPLE }} × t_{READOUT })計算電壓漂移誤差。
• 內(nèi)部緩沖放大器的電壓誤差：緩沖放大器的誤差可通過內(nèi)部偏移校準功能進行校準，以提高測量精度。但如果不定期校準，可能會出現(xiàn)溫度偏移漂移。
• 電容電平轉(zhuǎn)換電路誤差：電平轉(zhuǎn)換受CT引腳寄生電容的電荷注入影響，可通過公式(V{ERR_CHARGEINJECTION }=frac{C{PAR }}{C{SAMPLE }} × V{CVn})計算電荷注入采樣誤差。為減少誤差，可盡量減小CT_引腳的寄生電容，或者通過校準程序進行誤差校準。

（四）校準功能

1. 寄生電容電荷注入誤差校準

通過設(shè)置特定的配置位，可使器件進入寄生電容電荷注入誤差校準模式。在采樣階段，內(nèi)部校準開關(guān)將采樣電容的CTn和CBn端子短路，僅對寄生電容充電，后續(xù)電池電壓讀取序列可顯示每個電池的電荷注入誤差值，通過計算可得到每個CT_引腳的寄生電容值，從而對測量結(jié)果進行校正。

2. 緩沖放大器偏移校準

上電時，器件會自動進行自校準，以最小化內(nèi)部緩沖器的偏移電壓。此外，也可在主機控制下隨時進行偏移校準。校準過程需8ms完成，校準期間AOUT輸出為高阻抗，無法進行正常的電池電壓測量。

五、應(yīng)用場景

（一）工業(yè)電池備份系統(tǒng)

在工業(yè)環(huán)境中，電池備份系統(tǒng)需要確保設(shè)備在停電時能正常運行。MAX14920/MAX14921的高精度測量和可靠的診斷功能，可實時監(jiān)測電池狀態(tài)，保障電池備份系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（二）電信電池備份系統(tǒng)

電信設(shè)備對電池的可靠性和穩(wěn)定性要求極高。這兩款器件能夠準確監(jiān)測電信電池的電壓和狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理電池故障，確保電信設(shè)備的正常通信。

（三）儲能系統(tǒng)

在儲能系統(tǒng)中，電池組的一致性和性能對系統(tǒng)效率至關(guān)重要。MAX14920/MAX14921可實現(xiàn)電池電壓的精確測量和平衡控制，提高儲能系統(tǒng)的整體性能和使用壽命。

（四）電動交通工具能源系統(tǒng)

電動交通工具需要高效、可靠的電池管理系統(tǒng)。這兩款器件可提供準確的電池狀態(tài)信息，為電動交通工具的安全運行和續(xù)航提供保障。

六、設(shè)計注意事項

（一）電池連接

連接電池時，為避免大的浪涌電流損壞器件，除CV0和CVT/VP引腳外，每個CVn輸入引腳應(yīng)串聯(lián)3kΩ電阻。若能保證特定的連接順序，可減少或不使用這些保護電阻。

（二）采樣電容選擇

為降低電荷注入誤差，建議使用1μF的采樣電容。若需要更高或更低的采樣速度，可相應(yīng)調(diào)整采樣電容的大小。較小的采樣電容可提高操作速度，但可能會增加電荷注入誤差，需要進行相應(yīng)的校準補償。

（三）布局設(shè)計

在PCB設(shè)計中，應(yīng)盡量縮短連接采樣電容的PCB走線長度，減少電容引腳與接地平面之間的寄生電容，以提高測量精度。

（四）電源管理

VA和VL電源的施加順序可獨立于Vp和CV_輸入。Vp電壓應(yīng)連接到電池組的最高電壓端。

總之，Maxim MAX14920/MAX14921是兩款性能卓越的高精度多節(jié)電池測量AFE器件，具有高精度、高靈活性、低功耗等諸多優(yōu)點。在實際設(shè)計中，我們需要充分考慮其電氣特性、工作原理和設(shè)計注意事項，以確保其在各種應(yīng)用場景中發(fā)揮最佳性能。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的設(shè)計經(jīng)驗?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。