电池管理系统采样方案介绍（二）AFE采样

laoxiang21

AFE采样方案
  目前集成厂家量产的AFE芯片厂家有德州仪器TI、Maxin、凌特LT、ADI、恩智浦NXP、亚德诺、infinion、intersail等，其中大部分为美国企业。国产厂家则下沉在低端市场的AFE，BYD、中颖、杰华特等等，国产AFE也在不断发力中，据对芯片厂了解，1年至2年，AFE在低端市场品牌将满天飞。

  低端市场包含：电动工具、两轮车等3C类产品。大部分采用的是TI的BQ769X0系列或者一些国产厂家。

  中高端市场包含：储能产品（UPS、户用储能、工商业储能等用于工业产品）、电动汽车（汽车级认证）、航天航空（军工级认证）等。

  低端市场AFE

选择TI的BQ76920来举例说明：

  何为低端AFE：基本是采用IIC或者SPI通讯方式，无法级联，采样精度低，采样时间长，无任何安全认证要求。芯片集成了单体采样及均衡、温度采样、电流采样、开关驱动。

  如下图：来源于TI规格书(典型)



  一、原理图讲解下，在低压系统中适配3C类产品中，实现方式极其简单一颗AFE芯片+低端MCU+功率MOS管来解决控制充放电和保护电池的功能。

  在主拓扑中又有极多的分类：

  1.按照充放电MOS位置分类：



正控（MOS控制B+通断，此时需要PMOS，也可以用BOOST电源来控制正端此时用NMOS来代替PMOS节约成本和解决物料交期的问题）



负控（如上图采用NMOS控制B-通断）

   2.按照充放电管分类：



同口：充放电管串接，可以控制充放电，此时充放电回路共用B+B-这条回路



异口:放电口和充电口分别用一对MOS进行控制（其中如果是单颗MOS来进行控制则为假异口）



半分口：放电口放电MOS，充电口通过放电口在再加充电MOS

  以上为主拓扑分类，后续会详细讨论拓扑的优劣性和应用场景。

  二、在了解主拓扑的情况下，我们来聊聊集成芯片是如何进行采集处理的。



  单体电压信号和温度采样信号进入VCx，通过MUX（V2I） 数据选择器来进行选通，进入14位ADC模块进行采样传到数字内核中处理并通过IIC通讯方式传出去。

  电流检测信号采用16位ADC模块，内部提供基准电平因为电流信号都是mv级别的，精度要求较高。其中通过比较器，又可以硬件触发过流和短路硬线信号。

  激活信号，一般有两种方式，第一种通过通讯激活如iic、spi、菊花链。第二种就是硬线激活，如图TS信号只要拉个脉冲电平，整个AFE就会进入BOOT，然后进行运行。

  BAT和VSS为供电电压，由于供电电流的存在，原则上必须和采样线分开，但由于是低端市场，采样供电是不分开的，精度影响比较小。电池电压转为内部供电电压或基准电压。

  CHG和DSG为驱动MOS信号，控制充放电MOS的通断。

  三、设计中我们需要注意：

1. AFE中的单体采样线和供电线应该严格的接入到电芯上，BAT信号电压应该要和最高级电芯保持一致。VSS信号与B0电芯电平保持一致。原厂的规格书中都会推荐供电信号与采集信号不应该大于二极管或者小于二极管电压，该要求由于端口保护器件，或者外部自己搭的电路出现干扰。并且B+电压应增加防护措施。



  如上图，单体采样前段滤波配置，TI的芯片普遍为差分滤波方式，即为电池两端增加电容C，该滤波形式可以有效减小电容的耐压值，从而节约成本。R在此既可以作为无源滤波，也可以作为热插拔的限流电阻（此点后续详细描述）。还有其他厂家全部都是对地进行RC滤波，滤除共模电压。目前AFE前端应该严格按照厂家推荐方案进行设计。（切记勿画蛇添足，所加的每个器件都可能影响到滤波、采样、热插拔、静电等功能性能）
下一篇讲解中高端市场的AFE的采样应用