电池监测电路前端设计：ADG5408与AD8226的应用

在电子工程师的日常工作中，电池监测系统（BMS）的设计是常见且关键的任务，特别是在工业或过程自动化等易出现瞬态的环境中。今天我们就来深入探讨一款由ADI公司设计的鲁棒、低功耗电池监测电路前端——CN - 0253。

文件下载：EVAL-CN0253-SDPZ.pdf

1. 电路功能与优势

1.1 整体设计目标

该电路旨在为可能出现瞬态的环境设计一个可靠的电池监测前端。它通过ADG5408 8通道CMOS多路复用器和AD8226仪表放大器，实现对单个电池单元的精确电压监测，且具有低功耗和低成本的特点，还无需额外的外部瞬态保护电路。

1.2 解决的关键问题：防止闩锁

传统CMOS开关在瞬态过压条件下可能会发生闩锁现象。在结隔离技术中，PMOS和NMOS晶体管的N阱和P阱会形成寄生可控硅整流器（SCR）电路。过压条件会触发这个SCR，导致电流显著放大，进而引发闩锁。闩锁是一种不希望出现的高电流状态，可能导致设备故障，并且只有在关闭电源后才能停止。

而本设计中使用的两个多路复用器和仪表放大器（IA）具有强大的输入。ADG5408是一款高压8:1多路复用器，采用沟槽隔离技术，能防止闩锁状态，减少了对外部保护电路的需求。不过，闩锁防护并不保证过压保护，只是意味着开关不会进入高电流SCR模式。此外，ADG5408的人体模型静电放电（ESD）额定值为8 kV。

AD8226是一款低成本、低功耗的仪表放大器，输入强大，能处理来自相反电源轨高达40 V的输入电压，同时将输出限制在电源轨范围内。例如，在±18 V电源下，AD8226的正或负输入可以在±22 V之间摆动而不会损坏。其所有输入都通过内部二极管进行ESD保护。

2. 电路描述

2.1 电池监测原理

BMS需要评估电池组中每个电池的电压，以确定电池的充电状态（SOC）和健康状态（SOH）。通过使用两个多路复用器对电池组的端子进行多路复用，可以评估每个电池的电压。

2.2 ADG5408的特性

ADG5408每通道的导通电阻较低，典型值为13.5 Ω，在整个温度范围内最大为22 Ω。输入失调电流最大为2 nA，因此在通道电阻上产生的误差电压最大为44 nV。

2.3 闩锁测试对比

图2展示了典型CMOS开关（带外延层）和ADG5408在闩锁测试中的结果对比。测试时，对引脚施加1 ms的应力电流作为触发，触发后测量引脚的电流。从图中可以看出，典型CMOS开关在 - 290 mA时达到闩锁电流，而ADG5408在测试结束（ - 510 mA）时仍未发生闩锁。

3. 常见变化

对于使用四个或更少电池的电池组，可以使用单个ADG5409的四个差分通道。ADG5409将四个差分输入切换到单个差分输出，并且与ADG5408具有相同的闩锁防护结构。

4. 电路评估与测试

4.1 所需设备

• EVAL - CN0253 - SDPZ板
• ±18 V电源
• 锂离子电池
• 数字电压表

如果需要使用PC控制EVAL - CN0253 - SDPZ板，还需要：

• 带有USB端口的PC，运行Windows® XP、Windows Vista®（32/64位）或Windows 7（32/64位）
• EVAL - SDP - CS1Z SDP
• CN - 0253评估软件

4.2 测试步骤

4.2.1 独立使用

仅在独立使用时，需要EVAL - CN0253 - SDPZ板、电源和测试电池。

4.2.2 使用PC编程

将CN - 0253评估软件CD放入PC的CD驱动器，加载评估软件。通过“我的电脑”找到包含评估软件CD的驱动器，打开Readme文件，按照说明安装和使用评估软件。

4.2.3 测试设置

关闭电源输出，将 + 18 V电源连接到J3 - 1引脚（VDD_EXT）， - 18 V电源连接到J3 - 3引脚（VSS_EXT），接地连接到J3 - 2引脚（GND_EXT）。将测试电池连接到电池接口。确保未连接电池的电池接口上保留链接头。

如果需要使用计算机控制电路板，重要的是移除EN、A0、A1和A2链接头。如果使用EVAL - SDP - CS1Z，使用120引脚连接器将其连接到EVAL - CN0253 - SDPZ板，并使用尼龙硬件固定连接。

4.2.4 测试过程

向±18 V电源供电。使用板上的EN链接启用ADG5408多路复用器的输出。使用板上的A0、A1和A2链接选择要测试的电池。SMB连接器VOUT可用于连接到单独的ADC评估板，如EVAL - AD7298SDZ，或使用数字电压表手动测试。

如果需要计算机控制，使用USB电缆将EVAL - SDP - CS1Z连接到PC，启动CN - 0253评估软件，按照手动测试的方式测试电池电压。如果使用EVAL - SDP - CS1Z，还提供了一个额外的5 V电源引脚。

5. 学习资源

• CN - 0253设计支持包：[http://www.analog.com/CN0253 - DesiignSupport](http://www.analog.com/CN0253 - DesiignSupport)
• 相关教程和文章：
  • Ardizzoni, John. A Practical Guide to High - Speed PrintedCircuit - Board Layout, Analog Dialogue 39 - 09, September 2005.
  • Redmond, Catherine, Winning the Battle Against Latchup in CMOS Analog Switches, Analog Dialogue Volume 35, Number 5, October, 2001, Analog Devices.
  • MT - 031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND” and “DGND”, Analog Devices.
  • MT - 069 Tutorial, In - Amp Input Overvoltage Protection, Analog Devices.
  • MT - 088 Tutorial, Analog Switches and Multiplexers Basics, Analog Devices.
  • MT - 092 Tutorial, Electrostatic Discharge (ESD), Analog Devices.
  • MT - 101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices.

6. 数据手册和评估板

• CN - 0253电路评估板（EVAL - CN0253 - SDPZ）
• 系统演示平台（EVAL - SDP - CB1Z）
• ADG5408数据手册和评估板
• ADG5409数据手册和评估板
• AD8226数据手册和评估板

在实际设计中，你是否遇到过类似的闩锁问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。