假定你接受了一項任務，為一個新的和基于電池的電源系統設計監視器電路，那么你會采取什么策略來優化該設計的成本和可制造性呢?最初考慮的問題將是確定系統的首選結構以及電池和有關電子組件的位置。基本結構清楚以后，接下來必須考慮的一個問題是，電路拓撲的權衡協調問題，例如，怎樣優化最終產品的通信和互連。
電池的外形尺寸將對電源系統結構有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復雜的電池模塊 (或電池組) 嗎?或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由于重量問題而導致對電池數量的限制或引起其他的尺寸限制?這也許是設計變數最大的部分，因為外形新穎的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務求電池模塊或電池組集成到產品中后，會與整個產品概念更加一致。例如，在汽車設計情況下，電池最終也許分散在車輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。
另一個考慮因素是，電池 (或模塊化電池組)、電池管理系統 (或其子系統) 以及最終應用接口之間的測試信號和 / 或遙測信號的互連。在大多數情況下，可以做一個外殼，用來集成電池模塊或電池組中的某些數據采集電路，以便如果需要調換，那么生產 ID、校準、使用規格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對電池管理系統 (BMS)或維修設備可能有用，而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導線的數量。
接下來，就給定的機械概念設計而言，監視硬件拓撲由精確定義的、所需支持的電池數量決定。在汽車應用中，一般情況下總共會有 100 個以上的電池測量點，而且系統的模塊化將決定一個給定的電路系統測量多少個電池。最常見的情況是，以安全斷接“維修插頭”方式，將所有電池分成至少兩個子組。通過在故障情況下保持電壓低于 200V，這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險。外形尺寸較大的電池組意味著，要采用兩套隔離的數據采集系統，每套也許支持 50 個電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個經濟實惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖 1 (a)所示。或者，電子組件也可以分散放置，更加緊密地集成在電池模塊中，但是這需要采用遙測鏈接方法。為了實現可靠的數據完整性，內置于汽車線束中的遠端測量功能電路必須采用一種堅固型協議，例如廣泛使用的 CAN 總線。盡管真正的 CAN 總線接口涉及幾個網絡層，但是可以很方便地采用 PHY 層構成 BMS LAN 結構，以高效率地進行模塊內的通信。這類分布式結構如圖 1 (b)所示。該拓撲允許在幾個小型處理器之間分配計算工作量，從而降低所需的數據傳輸速率，并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應用(yong)接(jie)口(kou)很可能是至一(yi)個(ge)主(zhu)系統管理處理器的 CAN 總線(xian)接(jie)線(xian)，而且將需要定義 (或在一(yi)開始(shi)規(gui)定) 特定的信息事務處理。

其他因素也可能對物理結構和監視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導致了額外的熱量管理問題(去除熱量)，而且如果需要有源平衡，還需要電源轉換電路。溫度探頭常常分布在整個模塊之上，以提供一種將電壓讀數與充電狀態關聯起來的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設計時一個常常忽視的考慮因素是，當產品安裝之前閑置或儲存在貨架上時，電池的電量泄漏應該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線是必要的。
在上面實(shi)現的這(zhe)些(xie)結構(gou)中(zhong)，都有一(yi)個(ge)常見的測量功能構(gou)件，該(gai)(gai)構(gou)件包括一(yi)個(ge)多通道 ADC、安全(quan)隔離勢壘和某種程度(du)的本地處理(li)能力(li)。圖(tu) 2 電(dian)路(lu)顯(xian)示了(le)一(yi)個(ge)實(shi)現數據(ju)采集(ji)(ji)功能的可(ke)擴展設計平(ping)臺。在這(zhe)個(ge)圖(tu)中(zhong)，實(shi)現功能的核心組件是凌力(li)爾(er)特的 LTC6803 電(dian)池組監(jian)視器(qi) IC，同時顯(xian)示的還有一(yi)個(ge) SPI 數據(ju)隔離器(qi)和一(yi)些(xie)可(ke)選的特殊用途(tu)電(dian)路(lu)。該(gai)(gai)電(dian)路(lu)包括輸入濾波器(qi)和無源平(ping)衡功能，構(gou)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)完整的 12 節電(dian)池數據(ju)采集(ji)(ji)解決方(fang)案。如果(guo)需要，這(zhe)類電(dian)路(lu)可(ke)以簡單地復制，以支(zhi)持更多電(dian)池測量方(fang)案，同時共(gong)享主(zhu)微(wei)控制器(qi)的本地 SPI 端口，該(gai)(gai)主(zhu)微(wei)控制器(qi)反過(guo)來再提(ti)供外部 CAN 總線或其他 LAN 型數據(ju)鏈路(lu)所需。

與前一(yi)(yi)代監視器件相比，LTC6803 的(de)(de)(de)主要改進(jin)是，支持電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)停機(ji)和/或單獨(du)由電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)(zu)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。當電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)從 V+ 引腳去掉時，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池加載將(jiang)(jiang)降至零(僅(jin)有(you) nA 級(ji)半導(dao)體泄漏)。工作電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)可(ke)以(yi)由接通的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)(zu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓提供，或從一(yi)(yi)個單獨(du)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)提供給 V+，只要電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓始(shi)終(zhong)至少與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)(zu)一(yi)(yi)樣高就(jiu)行。為了實現簡(jian)單性，LTC6803 還(huan)可(ke)以(yi)直接從電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)(zu)獲取功(gong)率，在(zai)這種情況下，最(zui)低功(gong)率狀態(tai)(即備用(yong)) 將(jiang)(jiang)僅(jin)消耗 12uA 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。LTM2883 數據隔離(li)器通過一(yi)(yi)個內部隔離(li)的(de)(de)(de) DC-DC 轉換器，從主處(chu)理器供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，因此(ci)該器件將(jiang)(jiang)自(zi)(zi)動與主處(chu)理器一(yi)(yi)起(qi)斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。LTM2883 的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個非(fei)常有(you)用(yong)的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)是，它還(huan)能(neng)向隔離(li)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)組(zu)(zu)件(即電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池端) 提供很(hen)大和得(de)自(zi)(zi)主機(ji)的(de)(de)(de)功(gong)率。一(yi)(yi)個小型(xing)升壓電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)功(gong)能(neng)組(zu)(zu)件 (圖 2 中的(de)(de)(de) LT3495-1) 就(jiu)是這樣驅動的(de)(de)(de)，以(yi)獨(du)立地給 LTC6803 供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，以(yi)便電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池僅(jin)提供 ADC 測量(liang)(liang)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流 (即在(zai)有(you)效轉換時平均值 < 200nA)。該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路具(ju)有(you)絕對最(zui)低的(de)(de)(de)寄生(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池泄漏，同時消除了任何電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)工作電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流失(shi)配，否則這種失(shi)配可(ke)能(neng)逐步導(dao)致電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池容量(liang)(liang)失(shi)衡(heng)。

 LTC6803 的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)方(fang)便的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)是(shi)，有兩個(ge)自由的(de)(de)(de)、準確(que)(que)度(du)(du)與電(dian)(dian)(dian)(dian)池輸(shu)入(ru)(ru)(ru)類似(si)的(de)(de)(de) ADC 輸(shu)入(ru)(ru)(ru)。這(zhe)種(zhong)方(fang)便的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)允(yun)許用(yong)(yong)(yong)(yong)很少的(de)(de)(de)額外電(dian)(dian)(dian)(dian)路進(jin)行輔助測(ce)量(liang)，包括溫度(du)(du)、校(xiao)準信號或負(fu)(fu)載電(dian)(dian)(dian)(dian)流測(ce)量(liang)。一(yi)種(zhong)尤其有用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)測(ce)量(liang)是(shi)，用(yong)(yong)(yong)(yong)一(yi)個(ge)門(men)控(kong)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻分壓器測(ce)量(liang)整(zheng)個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓，實現方(fang)法如圖 2 所(suo)示 (采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong) 12:1 的(de)(de)(de)比例，連(lian)接到 VTEMP1 輸(shu)入(ru)(ru)(ru))。當電(dian)(dian)(dian)(dian)路斷電(dian)(dian)(dian)(dian)時，相關的(de)(de)(de) FET 斷開，這(zhe)樣(yang)對電(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)(de)測(ce)量(liang)就不會(hui)不必要(yao)(yao)地加(jia)重電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)負(fu)(fu)擔。既然(ran)該端口的(de)(de)(de)濾(lv)波可(ke)以(yi)(yi)(yi)獨立于電(dian)(dian)(dian)(dian)池輸(shu)入(ru)(ru)(ru)來定制，那么(me)為了(le)實現精(jing)確(que)(que)的(de)(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流計算所(suo)需(xu)(xu)的(de)(de)(de)、真正(zheng)高達(da) 200sps 的(de)(de)(de)奈(nai)奎斯(si)特 (Nyquist)采(cai)樣(yang)率是(shi)可(ke)能(neng)的(de)(de)(de)。可(ke)以(yi)(yi)(yi)利用(yong)(yong)(yong)(yong)對單個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)池測(ce)量(liang)來周期性(xing)地對整(zheng)個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)的(de)(de)(de)分壓器提供軟(ruan)件(jian)(jian)校(xiao)準，這(zhe)樣(yang)就不需(xu)(xu)要(yao)(yao)價(jia)格(ge)昂貴的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻器了(le)。輔助輸(shu)入(ru)(ru)(ru)的(de)(de)(de)另一(yi)個(ge)非常有用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)用(yong)(yong)(yong)(yong)法是(shi)，測(ce)量(liang)準確(que)(que)度(du)(du)很高的(de)(de)(de)校(xiao)準電(dian)(dian)(dian)(dian)源(諸如凌(ling)力爾特的(de)(de)(de) LT6655-3.3，一(yi)個(ge)準確(que)(que)度(du)(du)為 0.025% 的(de)(de)(de)基準)，在這(zhe)種(zhong)用(yong)(yong)(yong)(yong)法中(zhong)，允(yun)許軟(ruan)件(jian)(jian)憑借通(tong)道至(zhi)通(tong)道的(de)(de)(de)固有匹配，校(xiao)正(zheng)其他所(suo)有通(tong)道。請注意，熱敏(min)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻器的(de)(de)(de)溫度(du)(du)探(tan)頭(tou)不必以(yi)(yi)(yi)電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)位為基準，這(zhe)些探(tan)頭(tou)一(yi)般(ban)也不需(xu)(xu)要(yao)(yao) 12 位的(de)(de)(de)分辨率。這(zhe)類探(tan)頭(tou)通(tong)常適用(yong)(yong)(yong)(yong)于直(zhi)接與微(wei)控(kong)制器連(lian)接，從而留(liu)出高性(xing)能(neng) LTC6803 的(de)(de)(de)輔助輸(shu)入(ru)(ru)(ru)，以(yi)(yi)(yi)實現要(yao)(yao)求更加(jia)苛刻的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)。

總之，在電池管理系統電路(lu)中需(xu)要(yao)考慮的(de)(de)因(yin)素(su)有(you)很多(duo)，特別是那些決定封裝限制的(de)(de)因(yin)素(su)。當(dang)封裝設(she)計思(si)想(xiang)匯(hui)聚(ju)在一(yi)起時，考慮一(yi)下也(ye)有(you)可能產生機(ji)械影響(xiang)的(de)(de)電子線路(lu)與信(xin)息流的(de)(de)結構(gou)(例如(ru)：連接器化和導線數目) 同(tong)樣也(ye)是很重要(yao)。一(yi)旦權衡(heng)過這些因(yin)素(su)而(er)且封裝設(she)計思(si)想(xiang)成熟之后，只需(xu)直(zhi)接插(cha)入一(yi)款采用 LTC6803 平臺(tai)，一(yi)個聲名卓著、可擴展和具成本效益的(de)(de)數據(ju)采集解決方案便大功告成了。

                                                                                                                             本文摘自于(yu)全球電池網