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IND4原创丨CMU内AFE芯片的保护

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周五和柳工就CMU内的AFE芯片保护谈了一些看法,我这里把内容总结下。ASIC的核心功能是对电池系统内单体的电压进行测量,整个测量和保护的过程对于电池管理系统有几种意义:

一是可以用来累加获取整个电压;

二是可以根据单体电压压差来判断单体差异性;

三是可以用来检测单体的运行状态。

单体的电压的采集和保护,目前都用ASIC来完成,这里我们需要从性能、诊断、功能安全和可靠性等方面考虑。当然基础是考虑采集电压的精度不仅仅需要考虑ASIC电路本身的精度,也需要考虑单体电压采样线束、线束保护用熔丝、均衡状态等多项内容。由于对电压采集精度的敏感度,与电池化学体系和SOC范围(SOC两端的需求往往较高)都有关系,实际上的ASIC采集得到的电压数据需要经过还原成接近电池本身的电压。如下图所示,如果由于整个单体采集通道的保护或者芯片的保护没做好,在各种瞬态电压应力下,整个电池管理系统就给摧毁了。

图1 烧毁的芯片和保护电路

1) 基于功能安全的基础

以过压这个典型的功能为例,包括以下的部分:

TSR01安全机制: “CMU在单个电池过电压或不受监控时进入安全状态; “。

CMU采集单个电池电压,在电压阈值的情况下进入安全状态。

如果确定单个电池不受监控,也将进入安全状态。这里主要是因为某些故障模式通常会使得一路和更多路电压采集出错,诊断出来之后,这一段就不知道是否处于过压状态了。

TSR02安全机制:CMU是需要包含一个或多个AFE前端电路,实现采集电压或者电压比较。AFE是模拟电路前端,试制采用特定的硬件电路来实现读取单个电池电压的能力。一般包括一个电源实现多路电源能量供给,一路电压参考,内部包含电压比较器和一个多路A / D转换器,将A / D转换值发送回运行ASIL C软件代码的MCU通信回路。

其他几个是CMU的自我诊断、通信状态和检查电压范围的功能。这个整体意味着,整个功能安全的功能很大部分是由ASIC实现的。

图2 基于单体的保护功能基础是ASIC的完整性

2) 保护电路

如上所述,我们仔细看一个ASIC的框图,整个供电和采集回路的过程如下图所示,电池在各种条件下,都与AFE直接相通。实际的采样线和供电线,都是可以进行一定的等效,特别是导线线径可以等效成R和电感的特性。

图3 AFE前端供电

对于AFE而言,整个首要处理的芯片供电输入的保护电路,需要设计成一定的鲁棒性。主要是考虑不仅仅需要考虑模块电压范围,在某些极端的处理情况中,整个芯片带电端会有系统的电压或者局部高压的电荷释放,会存在短时的高压脉冲,我们可以设计考虑采用500V(1. 2/ 50us)的浪涌测试来对整个电路进行保护。

我们这里主要是通过一个RLC的电路进行对整个供电的滤波处理

通过两个大小不同的TVS来吸收不同层级的能量,主要是组合使用不同的

  

  

图4 AFE前端供电

  这里也需要柳兄后续提供足够的数据,对这块的电压应力进行测定,确认整个电源防护强度,在us或者更长的时间,能够承受多大的能量范围。我们在计算整个TVS的能力和能量吸收的时候,也需要考虑在不同的模态下的实际情况。我觉得在整个匹配的过程中,掌握整体电压和不同局部的瞬态电压对于每个项目都是必须要了解的情况。

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