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AD8280是一款仅用于锂离子电池组的硬件安全监视器

2020-9-30 16:54:12  114 监视器
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特征
电源电压范围:6.0 V至30.0 V;多个输入可监测3至6个电池电压和2个温度;可调阈值水平:过压、欠压、超温;报警选项:单独或共享报警;扩展温度范围性能;-40°C≤TA≤+105°C;可以用菊花链;内部参考;由电池组供电;LDO可用于电源隔离器;适合汽车应用;广泛的自检功能有助于满足ASIL/SIL要求。
应用
锂离子电池后备监测及阈值检测;电动和混合动力汽车;工业车辆;不间断电源;风能和太阳能
一般说明
AD8280是一款仅用于锂离子电池组的硬件安全监视器。该装置有6个电池和2个温度传感器(NTC或PTC热敏电阻)的监控输入。该设备被设计成与额外的AD8280设备进行菊花链连接,以便在不需要大量隔离器的情况下监控一个明显多于六个单元的堆栈。输出可以配置为独立或共享报警状态。
AD8280独立于主监视器工作,包含一个参考和LDO,这两个都完全由电池组供电。该参考与外部电阻分配器一起,为过电压和欠电压建立跳闸点。每个单元通道都包含可编程的脱胶电路,以防止来自瞬时输入电平的警报。
AD8280还具有两个数字管脚,可以在要监视的小区少于6个的情况下选择各种输入组合。最重要的是,它具有自检功能,使其适合于高可靠性应用,如汽车混合动力电动汽车或更高电压的工业应用,如不间断电源。AD8280可以在-40°C到+105°C的温度范围内工作。
功能框图

典型性能特征

操作理论
图44显示了AD8280的框图。AD8280是一个阈值监视器,可以监控多达六个电池电压和两个温度电压。该设备也可用于菊花链配置,以监测尽可能多的细胞需要。菊花链配置的好处是,只需在链的底部设备上隔离警报信号,以使警报信号远离高压环境,从而降低系统成本,并最大限度地减少所需的板空间。
电池和温度电压输入分别使用VIN0到VIN6输入和VT1和VT2输入连接到设备。由于六单元堆栈电压可以高达30V,输入电压水平移动,并参考AD8280的最低电位(设备接地或VBOTx)。然后将这些电压输入窗口比较器,并与外部电阻分配器设置的跳闸点进行比较。
如果电池或温度电压输入超过或低于选定的触发点,则以数字电压电平形式的警报将改变设备电压输出(AVOUTxx)处的状态。当在菊花链配置中使用多个设备时,报警状态也以电流输出(AIOUTxx)的形式存在,该电流输出与其他设备通信
该装置包含可编程的脱胶电路,以确保忽略电池输入端出现的瞬态电压。
设备还包含一个LDO和引用。LDO可以驱动外部元件,如热敏电阻或隔离器,而基准可以与分压器一起用于确定跳闸点。
AD8280具有以下独特功能和功能:
•可监测三个、四个、五个或六个单元。
•可使用负或正温度系数热敏电阻。
•可以在菊花链中配置多个设备来监视数百个单元。有关整个菊花链上警报状态的信息,以及启用设备和启动自检的输入信号,都通过链中的底部或主设备进行通信。
•过压、欠压和超温状态的报警输出可以共享,每个输出指示任何发生的报警条件的相同状态,或者报警输出可以作为单独的实体,每个实体指示特定条件的状态。
•广泛的自检功能确保内部部件正常工作。自检是应测试引脚的要求启动的。

应用程序信息
典型连接
图45是AD8280典型连接的框图。
单元输入
六个电池组必须连接到VIN0到VIN6,最高电位连接到VIN6,最低电位连接到VIN0。如图45所示,通过由10 kΩ电阻器和10 nF电容器组成的低通滤波器进行连接。六单元堆栈中的最低电位也必须连接到VBOT1、VBOT1S、VBOT2和VBOT2S,而最高电位必须通过二极管连接到VTOP和VTOPS。建议在VTOP管脚处使用0.1μF和10μF的去电容器。
温度输入和热敏电阻选择
VT1和VT2是电压输入,设计用于配置为电阻分配器的热敏电阻,如图45所示。热敏电阻分压器顶部的电压必须是LDO的+5 V输出。LDO管脚可以比REF管脚提供更多的电流,更适合驱动热敏电阻分压器。
如果AD8280 LDO以外的电压源驱动热敏电阻电桥(V),则当AD8280被禁用或断电时,务必将VT1和VT2电压调至0 V,因为当LDO也处于0 V时,VT1和VT2输入必须处于0 V。

此外,如果热敏电阻桥电路顶部使用的电阻器(R)小于10 kΩ,则必须在VTx引脚的输入端串联添加另一个电阻器(R)(见图46)。两个电阻器必须一起大于10 kΩ(R+R>顶部在顶部在10千欧)。只有当V不是AD8280 LDO时,才需要此配置。

该器件可与负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)热敏电阻同时工作。对于NTC,NPTC管脚必须连接到逻辑低(VBOTx管脚);对于PTC,NPTC管脚必须连接到逻辑高(LDO管脚)。如果设备设置为NTC模式,当VT1和VT2处的电压降到触发点以下时,OT警报将被触发。如果设备设置为PTC模式,当VT1和VT2处的电压高于触发点时,OT警报将跳闸。
选择的单元格数
该设备可以配置为使用三个、四个、五个或六个单元。表5描述了如何对SEL0和SEL1管脚进行编程,以确定要监视的单元数。逻辑低表示VBOTx,逻辑高表示LDO输出电压。图47到图49显示了如何在五单元、四单元或三单元应用程序中将单元连接到设备。


阈值输入
阈值(或触发点)在外部设置有分压器,提供最大的灵活性。所需的跳闸点电压连接到以下引脚:OV(过电压跳闸点)、UV(欠电压跳闸点)和OT(过热跳闸点)。参考(REF)或LDO的+5 V输出可用作分压器的最高电压。然而,由于基准输出比LDO输出更精确,基准输出更适合为触发点设置分配器供电。如果用于温度传感的热敏电阻分压器由LDO输出驱动,建议LDO驱动OT跳闸点分压器,以获得更好的温度漂移性能。
去耦电容器(0.1μF)必须与每个分压器的底脚一起使用,此外,还必须在参考输出端使用2.2μF电容器,如图45所示。
参考引脚的负载电阻不得超过25kΩ。因此,当使用REF驱动三个分压器(OV、UV和OT)时,建议每个分压器的电阻至少为75 kΩ。如果仅使用参考驱动两个分压器(OV和UV),则每个分压器的总功率不得小于50 kΩ。
顶部和底部装置名称
当在菊花链中配置时,AD8280根据其在链中的位置而不同地工作:顶部设备(最高电位)、中间设备或底部设备(最低电位)。顶部和BOT管脚指定菊花链中每个设备的位置。表6是用于标识设备在菊花链中的位置的逻辑表,如果不在菊花链中使用,则将其标识为单个(独立)设备。
顶部和底部管脚的逻辑高和逻辑低与AD8280的其他逻辑管脚不同。TOP和BOT管脚分别引用VTOP(逻辑高)和VBOTx(逻辑低)。

1、仅对于顶部和底部管脚,逻辑1是VTOP,逻辑0是VBOTx。
菊花链配置的底部设备
菊花链配置中的底部设备是主设备,接受到ENBI和TESti管脚的电压输入。底部设备的AIINOV、AIINUV和AIINOT管脚分别连接到菊花链中下一个高电位设备的AIOUTOV、AIOUTUV和AIOUTOT管脚。底部设备的AIOUTOV、AIOUTUV和AIOUTOT管脚可以保持浮动,也可以绑定到设备接地(VBOTx)。
菊花链结构中的中间设备
当AD8280被指定为中间设备时,AIINOV、AIINUV、AIINOT、ENBO和TESTO管脚分别连接到其上方AD8280的AIOUTOV、AIOUTUV、AIOUTOT、ENBI和TESTI管脚。
菊花链配置中的顶部设备
当AD8280被指定为顶部设备时,AIINOV、AIINUV、AIINOT、ENBO和TESTO管脚可以保持浮动或绑定到VTOP。
独立设备
当AD8280被指定为单个设备(用作独立设备)时,AIOUTOV、AIOUTUV和AIOUTOT管脚可以保持浮动或绑定到设备接地(VBOTx)。AIINOV、AIINUV、AIINOT、ENBO和TESTO引脚可以保持浮动或绑定到VTOP。AD8280接受ENBI和TEST引脚的电压输入。
菊花链配置的报警信号
无论设备名称如何,报警信号都可用作AVOUTOV、AVOUTUV和AVOUTOT管脚。
这些信号指示监视电压警报的设备的状态,以及菊花链中高于它的设备的状态。使用隔离器将信号带出高压电池环境。
典型菊花链连接
图50显示了在菊花链中配置设备的典型连接。
共享或单独报警
AD8280可以配置为三个单独的报警或一个共享报警。将ALRMSEL引脚连接到5 V逻辑高电平将迫使设备进入单独的报警模式。在此模式下,每个警报仅为指定的监视功能触发。也就是说,只有在任何单元输入端存在过压条件时,OV警报才会触发;只有在任何单元输入端存在欠压条件时,UV警报才会触发;只有在任何温度输入端存在超温条件时,OT警报才会触发。在共享报警模式下,过压、欠压或过热三种情况中的任何一种都会触发所有三个信号链上的报警。在共享模式下,只需监视一个警报,因为这三个警报都包含相同的信号。
脱胶选项
脱胶电路是可用的,因此设备是免疫的细胞输入瞬变发生。如果设备输入端出现足以触发警报的高或低水平瞬态电压,则如果瞬态电压出现的时间小于所选的脱胶时间,则不会出现警报状态。
DGT0、DGT1和DGT2管脚确定脱套时间。表7显示了可用的选项以及使用DGT0、DGT1和DGT2管脚设置脱胶时间时使用的相应逻辑级别。

不要将所有三个脱胶销(DGT0、DGT1和DGT2)连接到逻辑高(111);此设置仅在工厂测试设备时使用。
如果需要,将脱胶时间设置为0.0秒(000),允许使用外部脱胶电路。此外,当脱胶时间设置为0.0秒时,确保设备完成自检所需的时间显著减少(参见自检部分)。DGTx管脚必须连接到固定的逻辑电平,并且在AD8280的操作过程中不得切换或更改。

启用和禁用AD8280
AD8280可以禁用或进入待机模式,方法是将ENBI引脚设置为逻辑低电平,将AD8280的静态电流从最大2.0毫安降低到1.0微安,并将LDO和参考输出降低到0伏。将ENBI引脚设置为逻辑高电平可使设备退出待机模式并启用。
当使用AD8280 a菊花链配置时,启用/禁用信号是发送到指定为底部设备(底部设备监控最低电压单元)的设备的电压逻辑电平。底部设备通过电流从ENBO引脚向上传输启用/禁用信号,并进入菊花链中下一个更高设备的ENBI引脚。菊花链中的所有设备都是通过向底部或主设备的ENBI引脚发送逻辑高来启用的。通过向底部设备的ENBI引脚发送低逻辑,菊花链中的所有设备都被禁用。
报警输出
AD8280的报警状态显示为AVOUTOV、AVOUTUV和AVOUTOT引脚的电压逻辑电平。当AD8280处于菊花链配置中,警报状态从一个设备的AIOUTxx引脚传递到菊花链中下一个低电位设备的AIINxx引脚。图51显示了当设备处于未报警(逻辑低)或报警(逻辑高)状态时的输出状态。
如果AD8280配置为共享报警模式,则所有三个电压输出引脚(AVOUTxx)的状态相同。在共享报警模式下,未使用的管脚可以保持浮动,通过高电阻连接到地面以限制电流消耗,或连接在一起。
自我测试
AD8280具有广泛测试内部组件以确保其正常工作的独特能力。这一特性对于满足IEC 61508或ISO 26262的安全完整性等级指南的设计者来说非常重要。
设备产生内部故障条件,并将结果与预期结果进行比较。自检期间,报警信号的状态被中断,自检的通过/失败状态通过报警状态信号引脚(AVOUTxx和AIOUTxx)进行通信。
由于AD8280使用内部基准来执行自检,自检检测阈值引脚处的开路和短路。时序图和注释见图51。有关自检功能的计时定义,请参见图52。
要启动自检,test引脚会从5 V逻辑电平脉冲(测试脉冲)中得到一个上升沿提示。施加在睾丸上的脉冲必须在最短时间内保持高水平(t最小值)。在启动自检的脉冲上升沿之后,当设备执行内部自检时,任何AVOUTxx或AIOUTxx引脚的报警状态进入逻辑高状态。在经过足够的时间执行测试并假设设备通过自检后,报警状态将恢复为未报警状态(逻辑低)。如果设备自检失败,当测试时施加的测试脉冲的下降沿发生时,警报保持在逻辑高状态。
最小t取决于DGTx管脚的状态。如果所有三个DGTx管脚都连接到逻辑低电平,则自检将忽略设备的脱胶功能,并在较短时间内(最多25毫秒)完成自检。当至少一个DGTx引脚被设置为逻辑高电平时,AD8280在自检期间默认为80 ms的最小脱胶时间。因为自测包括多层和通过,所以自测完成之前的最短等待时间为1000毫秒。因此,如果需要更快的自测,请将内部脱胶时间设置为0.0秒,如果需要脱胶,请使用外部脱胶电路。
菊花链结构的自测试
在菊花链中配置多个AD8280设备时,也可以使用自检。测试脉冲作为电压施加到底部装置的测试销上,然后作为电流沿链条向上移动。一旦设备看到测试脉冲的上升沿,几乎同时启动每个设备的自检。当链中的最高设备通过自检时,它会将该信息发送到菊花链中的下一个较低设备。即使设备完成自检,它也无法将结果传递给菊花链中的下一个设备,直到它从其上方的设备接收到通过信号。这一过程继续下去,每一个设备下降链。因此,当菊花链底部设备出现通过信号时,表明菊花链中的每个设备都通过了自检。如果链中的任何设备未能通过自检,则故障设备下方的设备从未接收到通过信号,随后,底部设备也从未接收到通过信号。因此,无论底层设备是否通过自检,底层设备的AVOUTxx信号永远不会改变自检启动时发生的逻辑高的状态,并且用户知道链中存在故障设备。

自检报警条件
如果报警发生在自检脉冲启动之前或之后,则报警会导致自检失败。这种情况的时间跨度取决于脱胶时间。
•脱胶时间=0.0秒。如果在自测试脉冲前缘前20 ms到自测试脉冲前缘后20 ms的时间段内发生报警,则设备无法进行自测试。
•脱胶时间>0.0秒。如果在自测试脉冲前缘前100 ms到自测试脉冲前缘后100 ms的时间段内发生报警,则设备无法进行自测试。
因此,在设备自检失败且自检后出现报警状态的异常情况下,建议重新测试设备,以确保在启动自检之前或之后不会出现报警。
当设备处于共享报警模式或单独报警模式时,自检工作。当设备处于单独的报警模式时,输出上的自检状态仅与内部电路中与被监测状态相关的部分有关:过压、欠压或过热。
自测定时与监控策略在AD8280上监视自检信号时,注意以下事项:
•在启动AD8280的自测试(测试销上有上升沿)后,AVOUTxx销上出现的警报在测试销上升沿后2μs内保持有效。
•当睾丸脉冲上升沿出现时,监测AVOUTxx引脚,确保在t最小时间过去后处于高状态。重新
•在tST最大时间过去后,验证AVOUTxx引脚是否已更改为低状态,表明设备通过自检。同时确保睾丸脉冲的最小长度大于tST最大值。AVOUTxx引脚的自检状态在测试脉冲后缘后tSTV达到最大值之前有效。
•在测试脉冲后缘之后,警报状态再次有效。

保护元件和上/下电阻器
如图45所示,添加了一些设备以在高压环境中提供保护。齐纳二极管Z1确保六个电池组的电压不会显著超过装置上的最大30v。建议Z1使用33 V额定齐纳二极管。
也可以使用菊花链线路中的二极管(从高电位到低电位的阳极到阴极)在电池连接出现断路时保护设备,从而在AD8280上产生高反向电压(图45中未显示这些二极管)。二极管必须具有与蓄电池系统最高电压相当的反向电压额定值。
如果在菊花链中使用二极管,还建议在堆栈中的顶部单元(阳极)和顶部设备的VTOP(阴极)之间以及每个设备的VBOTx(阳极)和菊花链中下一个最低电位设备的VTOP(阴极)之间使用二极管。
由于设备内部没有上拉或下拉电阻器,用户可能希望通过一个10 kΩ电阻器将底部设备的测试插脚拉至VBOTx(设备接地)。如果线路断开,增加该电阻器可确保设备不会在自检模式下锁定。此外,用户可能希望拉起菊花链底部设备上的ENBI引脚,以便如果线路打开,链保持在启用(通电)模式。
电磁干扰考虑因素
为了提高对电磁干扰(EMI)的抗扰度,使用以下组件和布局方案(见图50)。
•在每条菊花链线上使用22 pF电容器。
•在内部PCB层上布置菊花链。
•在菊花链线路上方和下方使用接地平面(从高电位设备连接到VBOTx)来屏蔽它们。
•将连接从VBOTx布线到VTOP,以确保它们之间的低阻抗连接。
•在VTOP线上使用铁氧体磁珠,如图50所示。
•在六个电池组中的每个电池组中使用100 nF电容器。
•将AD8280设备尽可能紧密地放在板上,以最小化菊花链的长度。
系统精度计算
在计算系统精度时,需要考虑四个误差源:
•触发点误差(见表1)
•参考电压误差(见表1)
•电阻公差
•电阻温度系数
样本计算
下面是过电压精度的示例计算。在此计算中,假设以下条件:
•外部电阻器分压器中用于设置跳闸点的电阻器为±1%,100 ppm/℃电阻器。
•温度范围为-40°C至+85°C。
•所需过电压跳闸点为4.0 V(所选电阻值必须为15 kΩ和60 kΩ)。
本节将介绍产生错误的原因。
最大触发点误差
最大触发点误差为±15 mV。
最大参考误差
最大参考误差如下:(60/(60 + 15)) × ±50 mV = ±40 mV
最大电阻容限误差
最大电阻公差误差取决于电阻值。如果一个电阻高,另一个电阻低,则最坏的错误如下:
(60.6/(60.6 + 14.85)) × 5.00 V = 4.016 V (error of +16 mV)
(59.4/(59.4 + 15.15)) × 5.00 V = 3.984 V (error of −16 mV)
在本次样品计算中,最大电阻公差误差为±16mV。
最大温度系数误差
如果一个电阻漂移高,而另一个电阻漂移低,则最坏情况下的错误如下:
60 kΩ+(100 ppm/°C×(25°C-(-40°C))×60 kΩ)=60.39 kΩ
15 kΩ-(100 ppm/℃×(25℃-(-40℃)×15 kΩ)=14.9 kΩ(60.39/(60.39+14.90))×5.00 V=4.010 V(误差+10 mV)或60 kΩ-(100 ppm/℃×(25℃-(-40℃)×60 kΩ)=59.61 kΩ
15 kΩ+(100 ppm/°C×(25°C-(-40°C))×15 kΩ)=15.1 kΩ
(59.61/(59.61+15.10))×5.00伏=3.990伏(误差−10毫伏)
在本次样品计算中,最大温度系数误差为±10mv。
系统总精度
系统精度或所有误差之和为±81 mV。如果电阻对系数匹配,使漂移方向相同,则可以忽略该部分误差,系统总精度为±71mv。
外形尺寸

汽车产品
AD8280W型号可用于控制制造,以支持汽车应用的质量和可靠性要求。请注意,这些车型的规格可能与商用车型不同;因此,设计师应仔细审查本数据表的规格部分。只有所示的汽车级产品可用于汽车应用。请与您当地的模拟设备客户代表联系以获取特定的产品订购信息,并获取这些型号的特定汽车可靠性报告。

王友让 2020-10-3 17:35:37
有点难呀
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