MAX14920/MAX14921為高精度電池測量模擬前端（AFE），分別用于監(jiān)測多達12節(jié)和16節(jié)電池電壓。MAX14920/MAX14921具有出色的精度和獨特的采樣保持架構(gòu)，非常適合監(jiān)測放電曲線幾乎平坦的電池化學成分，如磷酸鋰電池，但也可用于精度不是最嚴格限制的應用。

作為構(gòu)建模塊，MAX14920/MAX14921的整體性能高度依賴于其周圍的IC網(wǎng)絡(luò)。本應用筆記提供了選擇滿足不同精度和成本要求的系統(tǒng)構(gòu)建模塊的框架和示例。

構(gòu)建滿足您需求的系統(tǒng)

在設(shè)計系統(tǒng)時，工程師經(jīng)常面臨成本、空間和精度限制，這些限制決定了工程解決方案的構(gòu)建方式。一些系統(tǒng)，如磷酸鋰電池監(jiān)測，需要精度優(yōu)化的解決方案，因為電池化學的放電曲線幾乎是平坦的。其他常見的鋰化學品的放電曲線沒有那么多的平坦度，在此類應用中，較低的精度可能是可以接受的。

利用MAX14920/MAX14921構(gòu)建滿足特定應用需求的電池監(jiān)測系統(tǒng)，主要是針對上述設(shè)計約束的子集優(yōu)化系統(tǒng)。當設(shè)計分為三個階段時，最容易完成這樣的任務：

選擇一個體系結(jié)構(gòu)。

確定重要參數(shù)。

選擇系統(tǒng)組件。

從選擇架構(gòu)開始是有利的，因為它是針對特定約束進行優(yōu)化的主要驅(qū)動力。以下是體系結(jié)構(gòu)選項的列表;每個都旨在優(yōu)化特定的設(shè)計約束。對每個架構(gòu)的后續(xù)分析將包括進行上述系統(tǒng)設(shè)計第二階段和第三階段的準則。鑒于功能強大的組件選擇范圍廣泛，并且每個架構(gòu)都可以用于具有非常不同需求的一系列系統(tǒng)，第三步（系統(tǒng)組件的選擇）的指南將通過提供每個相應架構(gòu)的示例來處理。為了便于快速參考，表1顯示了以下分析所涵蓋的架構(gòu)的相對成本、最大預期六西格瑪誤差和最大預期三西格瑪誤差。六西格瑪誤差表示使用相應架構(gòu)構(gòu)建的所有電路板中 99.99966% 的統(tǒng)計預期最大誤差，而三西格瑪誤差表示使用相同架構(gòu)構(gòu)建的所有電路板中 99.73% 統(tǒng)計上預期的最大誤差。

精度優(yōu)化的架構(gòu)

圖1.精度優(yōu)化的架構(gòu)。

建筑分析

從設(shè)計角度來看，為了獲得高精度，微控制器應盡可能少地考慮整個系統(tǒng)的誤差。雖然許多微控制器具有內(nèi)部ADC和基準電壓源，但這些微控制器通常不具有可靠的亞毫伏級測量所需的分辨率或精度，因此在需要這種精度的應用中應避免使用。

圖1所示的精度優(yōu)化架構(gòu)有可能提供所有架構(gòu)中最高的精度，因為它可以靈活地單獨選擇有助于系統(tǒng)精度的主要組件：模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和基準電壓源。與微控制器外部的ADC非常相似，ADC外部的基準電壓源更適合高精度系統(tǒng)。外部基準電壓源的初始精度和溫度系數(shù)值優(yōu)于ADC內(nèi)部基準電壓源。這提高了室溫精度和系統(tǒng)整個工作溫度范圍內(nèi)的精度。然而，如果單獨選擇外部基準電壓源和ADC，會產(chǎn)生額外的成本，與其他架構(gòu)相比，設(shè)計人員必須略微提高系統(tǒng)價格，以實現(xiàn)最大的精度。

重要參數(shù)

選擇ADC時，積分非線性（INL）、失調(diào)和增益誤差以及與失調(diào)和增益誤差相關(guān)的溫度系數(shù)是設(shè)計人員需要注意的最重要方面。這些參數(shù)中最重要的是失調(diào)誤差，因為與其他參數(shù)相比，它會導致精度的相對變化。ADC的增益誤差是尋找ADC時要選擇的第二重要特性，其次是INL。

選擇外部基準時，初始精度和溫度漂移是兩個基本特性。對于在系統(tǒng)整個工作溫度范圍內(nèi)保持精度至關(guān)重要的是，對這兩個參數(shù)都具有出色值的外部基準電壓源。

總之，按重要性順序列出的與其各自組件相關(guān)的重要設(shè)計參數(shù)如下：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

失調(diào)誤差

增益誤差

積分非線性 （INL）

增益誤差溫度系數(shù)

偏移誤差溫度系數(shù)

外部基準

初始輸出電壓精度

輸出電壓溫度系數(shù)

在誤差測量電子表格 （XLSX） 的總誤差計算表中輸入上面列出的參數(shù)（可供下載），可在整個溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生預期的最大六西格瑪誤差以及系統(tǒng)在整個溫度范圍內(nèi)的預期最大三西格瑪誤差。建議使用計算誤差作為滿足設(shè)計要求的指南，但實際精度通常遠優(yōu)于三西格瑪值，如下面的元件選擇示例所示。有關(guān)如何使用“誤差測量”電子表格的信息，請參閱附錄 2。

組件選擇/示例

由于精度是該系統(tǒng)的主要目標，因此設(shè)計人員必須相應地選擇系統(tǒng)組件。MAX14920/MAX14921需要功能強大的微控制器、具有相當高分辨率的ADC和穩(wěn)定電壓基準，以實現(xiàn)最佳性能。Maxim方案使用MAX14921實現(xiàn)最高性能和高精度測量的框圖如下圖2所示。完整的原理圖、布局和物料清單可在MAX14921評估板的數(shù)據(jù)資料中找到。

圖2.Maxim的MAX14921評估板解決方案。

外部ADC和基準電壓源的質(zhì)量決定著系統(tǒng)的精度。MAX14920/MAX14921能夠在電池電壓的500μV范圍內(nèi)測量精度，臺式測量顯示，對于大多數(shù)電池電壓，單獨使用IC的平均測量誤差遠低于300μV（參見MAX14920/MAX14921數(shù)據(jù)資料中的典型工作特性）。Maxim解決方案中ADC的分辨率和基準電壓源的精度選擇得足夠高，允許LSB小于100μV。 Maxim推薦MAX11163 16位ADC，因為它具有出色的失調(diào)誤差、增益誤差和INL。對于外部基準，Maxim推薦使用MAX6126基準，因為它具有0.02%的低初始精度和出色的溫度系數(shù)，可在-40°C至+85°C的整個溫度范圍內(nèi)提供可靠的性能。（注1）

使用MAX14920/MAX14921、MAX6126和MAX11163的數(shù)據(jù)資料值以及隨附的電子表格進行快速計算，得到完整的Maxim方案的六西格瑪誤差約為0.042%，三西格瑪誤差約為0.027%。這意味著最大六西格瑪誤差約為1.714mV，最大三西格瑪誤差約為1.087mV。根據(jù)IC數(shù)據(jù)手冊中給出的參數(shù)計算誤差時，假設(shè)所有誤差都是累加的。實際上，誤差可以相互抵消，從而減少系統(tǒng)的整體誤差。因此，預計三西格瑪系統(tǒng)精度將優(yōu)于0.027%。圖3所示為實驗室在MAX14921EVKIT上實際測量的電池溫度變化。測量是在各種電池電壓下進行的，顯示在整個溫度范圍內(nèi)的最大誤差變化僅為0.009%（368μV），最大電池電壓測量誤差為0.017%（696μV）。

圖3.MAX14921系統(tǒng)測量溫度范圍內(nèi)的誤差

當與精度優(yōu)化架構(gòu)中的正確元件配對時，MAX14920/MAX14921可提供出色的精度。Maxim推薦的高精度電池測量系統(tǒng)解決方案MAX14921EVKIT#包括MAX14921、MAX11163和MAX6126，具有極低的測量誤差，在-40°C至+85°C擴展級溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的性能。

圖4.精度優(yōu)化架構(gòu)的誤差計算。

注1：某些鋰電池化學成分的完全充電電壓高達每節(jié)電池4.4V。對于此類化學成分，Maxim推薦使用MAX6194A基準。“誤差測量”電子表格中“總誤差計算”工作表上的單元格B4必須更改為4.5V，以考慮更高的基準電壓。

精度優(yōu)化、成本降低的架構(gòu)

圖5.精度優(yōu)化、成本更低的架構(gòu)。

建筑分析

降低成本的需求往往迫使設(shè)計人員在降低精度方面做出權(quán)衡。然而，這種權(quán)衡并不需要大大降低系統(tǒng)精度。正確選擇帶有板載基準電壓源的ADC使圖4所示的精度優(yōu)化、成本降低的架構(gòu)成為需要在預算范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的系統(tǒng)的絕佳解決方案。

這種架構(gòu)仍然避免使用微控制器的ADC來保持高精度，但它依賴于帶有內(nèi)部基準的ADC。在這種架構(gòu)中，元件數(shù)量的減少可以降低成本，雖然與外部基準相比，具有內(nèi)部基準的系統(tǒng)的精度會降低，但權(quán)衡通常是可以接受的。

重要參數(shù)

精度優(yōu)化架構(gòu)中組件特性的許多重要選擇標準也適用于此架構(gòu)。主要區(qū)別在于參考參數(shù)的靈活性較低。因此，最好將大部分注意力集中在ADC失調(diào)誤差、增益誤差和INL參數(shù)以及增益和失調(diào)誤差溫度系數(shù)的選擇上。由于基準電壓源誤差和基準電壓源漂移通常與ADC特性的精度成比例變化，因此嚴格評估這些參數(shù)并不重要，盡管確保它們提供相對良好的精度總是好的。

總體而言，按重要性順序列出的與精度優(yōu)化、成本降低的架構(gòu)相關(guān)的最重要的設(shè)計參數(shù)如下：

失調(diào)誤差

增益誤差

積分非線性 （INL）

增益誤差溫度系數(shù)

偏移誤差溫度系數(shù)

組件選擇/示例

這種精度優(yōu)化、成本更低的架構(gòu)省去了外部基準電壓源，因此需要具有內(nèi)部基準的ADC。MAX11165符合此類高精度系統(tǒng)的要求，提供失調(diào)誤差、增益誤差和與MAX11163相同的INL值，同時還包括一個初始精度為±4mV的內(nèi)部基準，最大溫度系數(shù)為17ppm/°C。

同樣，使用本應用筆記隨附的“誤差測量”電子表格顯示，該系統(tǒng)的最大六西格瑪誤差為0.178% （7.305mV），系統(tǒng)的最大三西格瑪誤差僅為0.122% （5.014mV）。如果MAX14921評估板實際性能的軼事證據(jù)可以作為真實性能的指標，則該系統(tǒng)的性能應該比最大誤差所指示的要好得多。請注意，這些軼事證據(jù)是可能結(jié)果的框架，但實際的系統(tǒng)設(shè)計應依賴于最大誤差。

雖然上述成本優(yōu)化架構(gòu)會導致系統(tǒng)精度降低，但這種權(quán)衡不會對系統(tǒng)精度產(chǎn)生太大的負面影響。在可以接受此類誤差的應用中，MAX14920/MAX14921電池監(jiān)測AFE、MAX11165 ADC和功能強大的微控制器可提供低成本、高精度的系統(tǒng)。

圖6.精度優(yōu)化、成本降低的架構(gòu)的誤差計算。

成本優(yōu)化架構(gòu)

圖7.成本優(yōu)化的架構(gòu)。

建筑分析

一些電池監(jiān)控應用需要節(jié)省成本和/或電路板空間，因此需要比上述降低成本的架構(gòu)更大的精度權(quán)衡。對于此類應用，最好省去所有外部元件，并使用與系統(tǒng)微控制器集成的ADC。在微控制器上使用板載ADC在精度方面存在兩個困難：

板載ADC通常具有非常低的精度性能。

3.3V微控制器的基準電壓源可能在1.195V左右。因此，集成ADC只能接受1.195V滿量程電壓，但大多數(shù)電池組監(jiān)控應用需要4V或更高的滿量程電壓。

上面列出的第一個困難是設(shè)計人員通常必須接受的權(quán)衡，因為精度主要取決于所選的微控制器。第二個問題需要設(shè)計師進行更重大的權(quán)衡。為了降低ADC輸入端的滿量程電壓，必須使用分壓器。然后，必須將ADC輸出的轉(zhuǎn)換值乘以分壓器的IN/OUT比，以重新獲得原始標度。將輸出相乘會放大上述第一個困難引起的誤差，分壓器以三種方式引入誤差（在下面的“重要參數(shù)”部分中討論）。

這種架構(gòu)省去了所有外設(shè)，允許MAX14920/MAX14921在空間受限的應用中實現(xiàn)。消除外部元件還可以降低此類系統(tǒng)的成本，使其成為一種可行的成本優(yōu)化解決方案或不需要高精度測量的化學成分。

重要參數(shù)

選擇微控制器時，建議至少提供一個12位（最小值）ADC用于轉(zhuǎn)換MAX14920/MAX14921的輸出。ADC特性通常與微控制器的成本成比例，因此在預算范圍內(nèi)選擇微控制器是最需要優(yōu)化的。

電阻值是該架構(gòu)中最可控的參數(shù)?？紤]一個最大電池電壓為4V、ADC上具有1.195V基準的應用。4V輸入必須分壓至1.195V，以匹配ADC的滿量程電壓能力。轉(zhuǎn)換完成后，輸出值必須乘以IN/OUT比，以恢復原來的4V電平。在這種情況下，輸出必須乘以 3.35。輸入的劃分、轉(zhuǎn)換和輸出的后續(xù)乘法引入了三個誤差源。

分壓器引入的第一種誤差形式是由于計算值不可用而導致電阻值不完美引起的誤差。例如，選擇 R1= 1MΩ 需要 R2= 2.347MΩ。這種精確的值不可用，因此設(shè)計人員必須滿足于可購買的附近值。在這種情況下，2.32MΩ和2.37MΩ均可用。建議選擇高于計算值的實際值，以使分壓信號的滿量程電壓低于1.195V基準。如果選擇低于計算值的值，滿量程電壓將超過基準電壓，從而導致數(shù)據(jù)丟失。與 R1= 1MΩ 和 R2= 2.37MΩ，忽略所有其他因素，分壓器引入8.05mV誤差。

通過分壓器引入誤差的第二種方式是由于電阻的容差。假設(shè)兩個電阻的容差均為0.1%，則僅通過容差引入1.67mV的最大誤差。當由于上述電阻值不完美而加上誤差時，引入的總最大誤差可能高達9.73mV。隨著電阻容差的增加，誤差會增加很多。例如，如果兩個電阻的容差均為0.5%，則容差引起的最大誤差增加到8.4mV，從而使電阻值和電阻容差不完美的總最大誤差達到16.39mV。

最后，分壓器由于需要將輸出乘以輸入/輸出比而引入誤差。此錯誤會影響兩個方面：

如上所述，分壓器引入的誤差是在ADC的輸入端引入的。這意味著誤差包含在ADC輸出的值中。然后將該值乘以輸入/輸出比率。因此，分壓器在輸出端引入的真實誤差是IN/OUT比（本例中為3.35）乘以不完美電阻誤差值與電阻容差引起的最大誤差之和。在上述示例中，使用容差為0.1%的電阻，這意味著輸入端的9.73mV誤差變?yōu)檩敵龆说?.73mV x 3.35 = 32.6mV。

輸入/輸出乘法器還會放大ADC和基準電壓源誤差。因此，如果ADC和基準電壓源引入的總誤差為1mV，則乘法器后ADC的誤差為1mV x 3.35 = 3.35mV。

注意：R的高值2= 2.37MΩ 與ADC的10pF （最大值）輸入電容一起構(gòu)成一個RC時間常數(shù)，必須在系統(tǒng)中考慮。在開始ADC轉(zhuǎn)換之前，等待RC值的5倍（在本例中約為120μs）允許輸入電容在對信號進行采樣之前充電。

組件選擇/示例

由于這種架構(gòu)在很大程度上取決于所使用的微控制器，因此分析通用的低成本微控制器很有幫助。飛思卡爾半導體K10P64M72SF1就是這樣一款微控制器。K10P64M72SF1上的集成SAR ADC提供12位單端轉(zhuǎn)換，總未調(diào)整誤差（TUE）為±6.8LSB（最大值）。這相當于ADC的最大誤差為6.8mV，在輸出乘以輸入/輸出比后變?yōu)?2.78mV誤差。飛思卡爾K10P64M72SF1包括一個1.195V內(nèi)部基準電壓源，在整個工作溫度范圍內(nèi)具有最大3.5mV基準誤差和80mV總基準溫度漂移。

根據(jù)“誤差測量”電子表格，MAX14920/MAX14921和飛思卡爾K10P64M72SF1的板載ADC產(chǎn)生12位輸出，最大六西格瑪誤差為251.307mV （861.17 LSB），最差情況下ENOB為11.66位。最大三西格瑪誤差為116.849mV （400.42 LSB），最小ENOB為11.85位。

剛剛概述的成本優(yōu)化架構(gòu)為設(shè)計人員提供了大量的成本降低，但仍為使用具有中等到陡峭放電曲線的鋰化學成分的系統(tǒng)提供了可接受的精度。這種架構(gòu)還具有減少PCB占位面積的額外優(yōu)勢，允許在空間受限的應用中進行設(shè)計。

圖8.成本優(yōu)化架構(gòu)的誤差計算。

成本優(yōu)化、精度增強型架構(gòu)

圖9.成本優(yōu)化、精度增強的架構(gòu)。

建筑分析

成本優(yōu)化、精度增強的架構(gòu)采用了之前引入的成本優(yōu)化架構(gòu)，并通過添加外部基準來提高精度。使用外部基準不僅可以大大減少微控制器集成基準引起的誤差，還可以減少MAX14920/MAX14921模擬信號的分頻量。由于輸入/輸出比隨著基準電壓源的增加而降低，因此與該倍增因子相關(guān)的誤差也會降低。即使使用低成本參考，也能大幅提高精度。

增加外部基準電壓源是該架構(gòu)與上述成本優(yōu)化架構(gòu)之間的唯一區(qū)別因素。因此，與成本優(yōu)化架構(gòu)相比，改進的初始精度、更低的溫度漂移和更低的輸入/輸出比是該架構(gòu)的三個優(yōu)勢。設(shè)計人員必須決定，由于外部基準電壓源而增加的系統(tǒng)成本是否足以被該系統(tǒng)精度的提高所抵消。

重要參數(shù)

如前所述，微控制器的選擇標準是至少有一個12位（最?。〢DC，并且微控制器集成ADC的特性對于所需的系統(tǒng)精度是可接受的。影響精度的另一個參數(shù)是 R 的選擇1和 R2在分壓器中。請參閱“成本優(yōu)化架構(gòu)”部分，分析分壓器對精度的影響。

外部基準的選擇取決于項目的預算以及微控制器的功能。許多微控制器采用3.3V電源供電，只能處理3.3V基準。為了獲得最大精度，重要的是選擇盡可能接近滿量程輸入的基準電壓，同時仍在微控制器的能力范圍內(nèi)工作。

基準電壓源的其他重要因素是基準電壓源的初始精度和溫度系數(shù)。然而，這些因素是選擇盡可能接近滿量程輸入的基準電壓的次要因素。這樣做的原因是盡可能降低輸入/輸出比，從而減少輸出必須乘以輸出以重新獲得原始比例的量。例如，使用飛思卡爾K10P64M72SF1微控制器的內(nèi)部基準電壓源時，輸入/輸出比為3.35，但使用3.3V外部基準時，輸入/輸出比為1.21。

使用較高基準電壓后，分壓器的IN/OUT比得到改善，加上外部基準電壓源的初始精度和溫度漂移得到改善，使得該架構(gòu)成為一種成本降低的架構(gòu)，適用于需要比前面討論的成本優(yōu)化架構(gòu)更高的精度，同時仍保持低成本的應用。

組件選擇/示例

本例中再次使用飛思卡爾半導體K10P64M72SF1微控制器。使用相同的微控制器以及0.1%容差電阻器，使該系統(tǒng)的精度分析變得簡單。MAX6034B電壓基準具有13mV初始精度和75ppm/°C （最大值）溫度漂移，以低成本提供出色的性能（注2）。MAX6034B還具有3.3V選項，所選微控制器均可接受，與上述成本優(yōu)化示例中使用的1.195V基準相比，精度大大提高。3.3V基準允許輸入/輸出比僅為1.21。

分壓器現(xiàn)在必須將電池監(jiān)控AFE的4V最大電壓分壓至3.3V。選擇 R1= 1MΩ 產(chǎn)生的計算電阻值為 R2= 212.121kΩ。由于210kΩ和213kΩ電阻是最接近的，因此將選擇213kΩ電阻以避免在滿量程時超過基準電壓。當分壓器上的這些電阻值時，分壓器引入的最大誤差為3.55mV。

K10P64M72SF1微控制器的內(nèi)部ADC提供6.8 LSB的精度，采用MAX6034B作為外部基準，該系統(tǒng)可實現(xiàn)低至31.154mV的六西格瑪誤差和低至17.632mV的三西格瑪誤差。與上面討論的成本優(yōu)化架構(gòu)相比，本例中的成本優(yōu)化、精度增強架構(gòu)的最大六西格瑪誤差降低了87.6%，而系統(tǒng)成本僅略有增加。

注2：針對比MAX3B精度更高的低成本3.6034V電壓基準，Maxim推薦使用MAX6034A電壓基準。

圖 10.成本優(yōu)化、精度增強型架構(gòu)的誤差計算。

結(jié)論

上述架構(gòu)使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠靈活地實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)。無論終端應用和設(shè)計限制如何，MAX14920/MAX14921都能提供靈活的設(shè)計，能夠提供高性能電池監(jiān)測和電池平衡功能，滿足多種設(shè)計限制。MAX14920/MAX14921的性能可以通過正確選擇周圍的構(gòu)建模塊來針對特定應用進行調(diào)節(jié)。

審核編輯：郭婷