芯耀
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一、方案描述
大聯(lián)大世平集團(tuán)針對便攜式儲能的電池保護(hù)系統(tǒng)，推出基于晶豐明源(BPS)的 MCU-LKS32MC453 和杰華特(JOULWATT)的 AFE-JW3376 和高邊驅(qū)動-JW3330 驅(qū)動方案。使用 SPI 接口實(shí)現(xiàn) MCU 和 AFE 的通訊。NMOS 采用芯邁(Silicon Magic)的 SDN10N3P5B-AA 和 SDN10K018S2C。并配備一個納芯微壓力傳感器 NSPGS2。此方案具有被動均衡、充放電控制、溫度采集、高邊保護(hù)等功能，支持：過壓/欠壓保護(hù)、高/低溫保護(hù)、斷路保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)機(jī)制。
硬件設(shè)計說明：?
1.主控
BPS 的 LKS32MC453 MCU， 192MHz 32位CortexM4F 內(nèi)核，具有豐富的 DSP指令，硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元。內(nèi)置高達(dá) 256KB 的 Flash 存儲器，支持加密保護(hù)，最大 40KB 的 SRAM。集成了高性能模擬器件、多種 I/O 端口和豐富的外設(shè)。內(nèi)置 12MHz 高精度 RC 時鐘和低速 32kHz 低速時鐘，可外掛 12~24MHz 外部晶振，內(nèi)部 PLL 可提供最高 192MHz 主頻。
- 256KB Flash，40KB SRAMB。
- 包含 3 路 14Bit SAR ADC，2 Msps 采樣及轉(zhuǎn)換速率。
- 包含 2 路 12bit DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
- 3 個通用 16 位 Timer、2 個通用 32 位 Timer、1 個 24bit systick 定時器。
- 2 個 I2C 接口、2 個 SPI 接口、1 路 CAN 接口和 3 路 UART 接口
- 1 路獨(dú)立 DMA 引擎, 共 8 個通道, 支持 8、16、32bit 傳輸
- ADC 自檢模塊，支持開路短路檢查
- 1 個 CRC 模塊
2.AFE-JW3376
JW3376: 是一種 16S 電池組模擬前端 IC，主要有以下功能：
- 一個 14 位 ADC 對電池電壓和溫度進(jìn)行采樣，精度為 ±7mV，范圍：3-4.3V。
- 16 位 ADC 采樣充電/放電電流。
- 4 通道熱敏感測，精度 ±1℃。
- 電池過壓/欠壓和溫度保護(hù)。
- 11-16 串電池，被動均衡。
- 充電/放電過流保護(hù)、放電短路保護(hù)。
- 可靠的 SPI 通信。
- 3V LDO 輸出用于外部應(yīng)用。
- 外部保護(hù) N-MOS 高驅(qū)動能力：12mA/86mA。
- 集成預(yù)充電/放電功能。
- 封裝：TSSOP48。
3.JW3330
JW3330: 是一款低功耗、100V 高邊 N 溝道 MOSFET 驅(qū)動控制 IC。通過切斷高壓側(cè)開關(guān)來斷開電源，可以避免類似低邊保護(hù)時斷開系統(tǒng)接地線的問題發(fā)生，增強(qiáng) BMS 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。JW3330 可與模擬前端芯片配合使用，可以對充電和放電 FET 進(jìn)行單獨(dú)控制。
- 輸入電壓范圍 2V-90V。
- 充電和放電高側(cè) NMOSFET 驅(qū)動器。
- 預(yù)充和預(yù)放電高壓側(cè) NMOS FET 驅(qū)動器（僅限 TSSOP16）。
- 獨(dú)立數(shù)字啟用充電、放電、預(yù)充電、預(yù)放電控制。
- 外圍設(shè)備少。
- 靜態(tài)功耗： -正常模式：60μA typ。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?-空閑模式：12.5μA typ。
- 高側(cè)負(fù)載檢測和充電器檢測邏輯（僅限 TSSOP16）。
- 可直接與 AFE 一起使用。
- 封裝：TSSOP16/SOP8（本方案用的是 TSSOP16）。
4.N-MOSFET
充放電開關(guān)控制部分，方案的開關(guān)管 N-MOSFET 采用芯邁的 SDN10K018S2C 來做預(yù)充電、預(yù)放電，該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達(dá)到 100V，其連續(xù)漏電流（Id）可達(dá) 45A。當(dāng) VGS = 10V 時，RDS 為 18mΩ 。采用芯邁的 SDN10N3P5B-AA 來做充電、放電控制。該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達(dá)到 100V，其連續(xù)漏電流（Id）可達(dá) 120A。當(dāng) VGS = 10V 時，RDS 為 3.5mΩ 。
5.DC-DC
DC-DC 部分，方案采用杰華特的 JWH5140F 來對 BAT+ 的電壓進(jìn)行降壓處理，使 DC-DC 輸出 5V 。JWH5140F 的特點(diǎn)如下：
- 工作輸入范圍為 6V 至 100V。
- 擁有 6A 輸出電流，且內(nèi)部具備軟啟動功能。
- 可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。
- 在輕載下的強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM）。
- 支持短路保護(hù)。
- 支持高溫保護(hù)。
- 封裝：DFN4X-4-8。
6.LDO
LDO 部分，方案采用杰華特的 JW7806 來對 DC-DC 的輸出電壓進(jìn)行再一步的降壓處理使 LDO 輸出 3.3V 。JW7806 的特點(diǎn)如下：
- 輸入電壓范圍：2V-5.5V。
- 輸出電壓范圍：2V-4.5V。
- 輸出電壓精度：±2%。
- 輸出電流：300mA。
- 低壓差：120mV（典型值）。
- 電源抑制比（PSRR）：82dB@1kHz。
- 無需噪聲旁路電容器。
- 低輸出電壓噪聲：12 uVRMS。
- 限流保護(hù)。
- 過溫保護(hù)。
- 工作溫度范圍：-40℃-125℃。
- 封裝：SOT23-5。
7.NSPGS2
壓力檢測部分，方案采用納芯微的 NSPGS2 ,NSPGS2 系列設(shè)計用于操作壓力范圍為 -100kPa 至 350kPa，其特點(diǎn)如下：
- 0°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±1.5%（模擬）。
- -40°C 至 70°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±2.5%（模擬）。
- 0°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±1%（數(shù)字）。
- -40°C 至 70°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±2%（數(shù)字）。
- 溫度范圍大：-40°C ~70°C。
- 比率/絕對模擬輸出。
- 24 位 I2C。
- 帶空氣噴嘴的 SOP 封裝，易于組裝。
方案原理圖：
1.MCU
2.壓力檢測
3.JW3376
4.JW3330
5.溫度檢測接口電路
6.電源
7.充放電控制
8.均衡電路
PCB Layout：
TOP Layer：
BOTTOM Layer：
軟件設(shè)計說明：
PES-BMS 方案的軟件架構(gòu)如下圖所示，包含驅(qū)動層、中間層和應(yīng)用層。
驅(qū)動層：是 MCU 的底層驅(qū)動，直接與硬件交互，控制和管理 MCU 的硬件資源。主要負(fù)責(zé)初始化、配置和管理硬件資源。PES-BMS 方案涉及到的外設(shè)包括：GPIO、SPI、UART、TIMER、ADC、FLASH、IWDG、AON 等。
中間層：在 MCU 軟件架構(gòu)中扮演著重要的角色，它為上層應(yīng)用提供必要的服務(wù)和功能接口，處理應(yīng)用程序與硬件之間的通信?。同時隔離系統(tǒng)軟件與底層硬件的直接交互，從而簡化了硬件的復(fù)雜性?。包括 AFE 和 JW3376 驅(qū)動、TIMER 中斷處理、Flash 的存取、LED 的開關(guān)、與 PD 面板通訊相關(guān)的串口處理等等。
應(yīng)用層：包括對 AFE 的管理和控制、充放電控制、電池異常狀態(tài)的處理、SOC/SOH、用戶界面（PD Panel）相關(guān)通訊協(xié)議、低功耗管理等等，確保系統(tǒng)與 PES-BMS 應(yīng)用相關(guān)的功能正常運(yùn)行。
二、參考文獻(xiàn)
[1] LKS32MC45x_DS_v1.54
[2] JW3376_Datasheet_R0.8_EN_20231009
[3] JW3330_Datasheet_R0.8_EN_20231016
[4] DS_SDN10N3P5B-AA
[5] DS_SDN10K018S2C_EN_Rev1.1_20210722
[6] JW7806_Datasheet_R0.1_EN_20230727
[7] JWH5140&JWH5140F_Datasheet_R0.23_EN_20230613
[8] 壓力傳感器_NSPGS2_Series_DatasheetRev2.8_EN
?場景應(yīng)用圖
?展示板照片
?方案方塊圖
?核心技術(shù)優(yōu)勢
2． 電池電壓采樣 ADC 的精度為 14 位，測量范圍在 2.3V 到 4.3V 之間測量，準(zhǔn)確度為 ± 5mV
3． 充放電電流 ADC 的精度為 16 位，準(zhǔn)確度： ±75μV@（-100mV~100mV）,? ±300μV@（-160mV~160mV）
4． 支持：被動均衡、過壓/欠壓保護(hù)、高/低溫保護(hù)、斷路保護(hù)、過流保護(hù)
5． 高邊保護(hù)開關(guān)
6． 支持 SOC、SOH
?方案規(guī)格
1． 支持 11 ~ 16 串三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池
2． 電池電壓采樣 ADC 的精度為 14 位，測量范圍在 2.3V 到 4.3V 之間測量，準(zhǔn)確度為 ± 5mV
3． 溫度采樣 ADC 的精度為 14 位，準(zhǔn)確度為 ± 1℃
4． 充放電電流 ADC 的精度為 16 位，準(zhǔn)確度： ±75μV@（-100mV~100mV）,? ±300μV@（-160mV~160mV）
5． 支持：被動均衡、過壓/欠壓保護(hù)、高/低溫保護(hù)、斷路保護(hù)、過流保護(hù)
6． 高邊保護(hù)開關(guān)
7． 支持 SOC、SOH
8． 支持串口通訊
9.? ?開發(fā)板尺寸 : 125 * 87 mm
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