ADS131B23-Q1 是一款完全集成的高壓電池組監(jiān)視器，適用于汽車電動汽車 （EV） 電池管理系統(tǒng) （BMS）。

ADS131B23-Q1集成了兩個同步采樣、高精度、24位ADC通道（ADC1A、ADC1B），可使用外部分流電阻以高分辨率和精度冗余測量電池電流。兩個獨立的數(shù)字比較器可與兩個ADC并聯(lián)快速檢測過流。
*附件：ads131b23-q1.pdf

另一個多路復用16位ADC（ADC2A）可用于使用外部高壓電阻分壓器測量系統(tǒng)中的分流溫度和其他電壓，例如電池組電壓。分流溫度是使用外部溫度傳感器（例如熱敏電阻或模擬輸出溫度傳感器）測量的。ADC2A配備了一個通道定序器，該定序器可自動步進配置的多路復用器輸入，以減少SPI上的通信。

該器件集成了許多監(jiān)控和診斷功能，以緩解和檢測隨機硬件故障，以幫助開發(fā)功能安全的 BMS。

輸入范圍高達 16V 的內(nèi)部線性穩(wěn)壓器支持使用非穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為器件供電。

ADS131B23-Q1采用48引腳HTQFP封裝，額定工作溫度范圍為–40°C至+105°C。

特性

• 符合 AEC-Q100 標準，適用于汽車應用
  • 溫度等級 1：–40°C 至 +125°C，TA
• 符合功能安全標準
  • 專為功能安全應用而開發(fā)
  • 提供文檔，以幫助 ISO 26262 功能安全系統(tǒng)設計，最高可達 ASIL D
  • 系統(tǒng)能力高達 ASIL D
  • 硬件能力高達 ASIL D
• 兩個同步采樣的 24 位 ADC（ADC1A、ADC1B）用于電流分流測量：
  • 可編程滿量程范圍：
    • ±39mV 至 ±312.5mV
    • 支持廣泛的分流電阻值和電流測量范圍
  • 通過以下方式實現(xiàn)高精度電流分流測量：
    • 失調(diào)誤差：±1.5μV （最大值）
    • 增益漂移：20ppm/°C（最大值）
  • 可編程數(shù)據(jù)速率：500SPS至64kSPS
  • 每個 ADC 的數(shù)字過流比較器具有可編程閾值，用于快速過流檢測
• 一個用于電壓和溫度測量的多路復用 16 位 ADC （ADC2A）：
  • 8 個模擬輸入
  • 可編程滿量程范圍：±312.5mV 至 ±1.25V
  • 通道音序器
• 用于緩解和檢測隨機硬件故障的監(jiān)控和診斷功能
• 電源電壓范圍：2.9V至16V
• SPI 兼容接口
• 9 個具有 PWM 功能的 GPIO

參數(shù)

方框圖

ADS131B23-Q1 是德州儀器（Texas Instruments）推出的 汽車級高壓電池組監(jiān)控器 ，專為混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（EV）的電池管理系統(tǒng)（BMS）設計，集成 3 路 ADC 通道（2 路 24 位電流采樣 ADC、1 路 16 位電壓 / 溫度采樣 ADC）、強化功能安全機制與靈活數(shù)字接口，可實現(xiàn)電池電流、電壓、溫度的高精度同步監(jiān)測，同時滿足汽車電子嚴苛的環(huán)境適應性與安全標準。以下從核心特性、性能參數(shù)、功能模塊、應用設計及使用信息等方面展開總結(jié)。

一、核心特性與產(chǎn)品定位

1. 基礎參數(shù)與架構

• ADC 通道配置 ：集成 2 路同步采樣 24 位 ADC（ADC1A、ADC1B）用于分流電阻電流測量，1 路多路復用 16 位 ADC（ADC2A）用于電壓與溫度測量；ADC1A/1B 支持可編程增益（4×-32×），ADC2A 支持增益（1×-4×），適配不同幅度信號采樣。
• 汽車級可靠性 ：符合 AEC-Q100 Grade 1 標準，工作溫度范圍 - 40°C 至 125°C（結(jié)溫最高 150°C）；ESD 防護達人體放電模型（HBM）±2000V、帶電器件模型（CDM）角落引腳 ±750V / 其他引腳 ±500V，適配發(fā)動機艙、電池包等惡劣環(huán)境。
• 功能安全合規(guī) ：按功能安全應用開發(fā)，提供 ISO 26262 功能安全系統(tǒng)設計支持文檔，系統(tǒng)能力與硬件能力均達 ASIL D 級，集成多維度故障監(jiān)測與診斷功能，降低隨機硬件故障風險。
• 高集成度 ：內(nèi)置線性穩(wěn)壓器（AVDD/IOVDD LDO，輸入 4V-16V，輸出 3.3V）、負電荷泵（支持輸入電壓低于地 1.3V）、測試 DAC、開路檢測電流源 /sink、溫度傳感器，減少外部元器件數(shù)量，簡化 BMS 硬件設計。

2. 環(huán)境適應性與封裝

• 供電范圍 ：模擬電源（APWR）與數(shù)字電源（DPWR）均支持 2.9V-16V 寬電壓輸入，適配未穩(wěn)壓的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電；AVDD（模擬邏輯）與 IOVDD（數(shù)字 I/O）支持 2.9V-5.5V，滿足不同電平接口需求。
• EMI 性能 ：集成擴頻時鐘技術，符合 CISPR-25（汽車）輻射標準，減少對車載射頻系統(tǒng)的干擾；內(nèi)部信號鏈采用低噪聲設計，降低測量誤差。
• 封裝規(guī)格 ：48 引腳 HTQFP（PHP 封裝），尺寸 9mm×9mm，引腳間距 0.8mm，適配汽車電子常規(guī) PCB 布局，底部熱焊盤需連接 AGND 以優(yōu)化散熱。

二、關鍵性能指標

1. 電流測量 ADC（ADC1A/1B，24 位）性能（典型值，TA=25°C，APWR=5V，DPWR=5V，IOVDD=3.3V，fCLK=8.192MHz）

2. 電壓 / 溫度測量 ADC（ADC2A，16 位）性能（典型值，同上測試條件）

3. 電源與溫度傳感器性能

三、核心功能模塊

1. ADC 信號鏈與采樣機制

（1）電流采樣 ADC（ADC1A/1B）

• 同步采樣與增益控制 ：2 路 ADC 嚴格同步采樣，支持獨立增益配置（4×/8×/16×/32×），通過 GAIN1A/1B 寄存器設置；滿量程輸入電壓隨增益變化（增益 4× 時 ±312.5mV，增益 32× 時 ±39mV），適配 0.05A-100A 寬范圍電流測量（配合不同阻值分流電阻）。
• 全局斬波模式 ：開啟后通過輸入極性切換與兩次采樣平均，顯著降低失調(diào)誤差與溫度漂移（失調(diào)誤差降至 ±1.5μV，漂移 ±0.1μV/°C），適合高精度長期監(jiān)測場景；數(shù)據(jù)率約為正常模式的 1/3，需平衡精度與速度需求。
• 數(shù)字濾波器 ：采用 sinc3 濾波器，過采樣率（OSR）可編程（64-8192），數(shù)據(jù)率范圍 500SPS-64kSPS；濾波器建立時間隨 OSR 增加延長（OSR=1024 時約 3120 個 CLK 周期），需忽略未穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

（2）電壓 / 溫度采樣 ADC（ADC2A）

• 多路復用與序列器 ：支持 8 路模擬輸入（V0A-V7A），集成通道序列器，可自動遍歷配置的輸入通道（最多 16 個序列步驟），減少 SPI 通信開銷；序列模式支持單次觸發(fā)、連續(xù)觸發(fā)、與 ADC1A 采樣同步觸發(fā)，適配不同監(jiān)測節(jié)奏需求。
• 測量配置 ：支持單端（單極性 / 雙極性）、偽差分測量；單端模式下增益 1×/2× 僅支持 0-VREF 輸入，增益 4× 支持 ±312.5mV 雙極性輸入；偽差分模式通過 VCMA 緩沖器提供 0.78V 偏置，適配高壓電池電壓分壓采樣（如 900V 輸入分壓至 ±1.25V）。
• 輔助測量功能 ：可直接測量內(nèi)部溫度傳感器（TSA）、電源電壓（APWR/DPWR/AVDD 等，通過內(nèi)置分壓電路衰減）、測試 DAC 輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)自檢與狀態(tài)監(jiān)控。

2. 功能安全與故障診斷

• 多維度故障監(jiān)測 ：
  • 電源監(jiān)測：AVDD/IOVDD/DVDD 的過壓（OV）、欠壓（UV）、振蕩、過流、過熱警告，AGND/DGND 引腳斷開檢測；
  • 時鐘監(jiān)測：主時鐘（MCLK，內(nèi)部 8.192MHz 振蕩器或外部時鐘）與診斷振蕩器（OSCD）的頻率偏差、 watchdog 超時檢測；
  • 數(shù)字監(jiān)測：寄存器映射 CRC（3 個分區(qū)）、內(nèi)存映射 CRC、GPIO 讀寫回環(huán)檢測；
  • 通信監(jiān)測：SPI CRC 校驗、超時、SCLK 計數(shù)錯誤、非法寄存器訪問檢測。
• 故障響應與診斷 ：所有故障通過 STATUS 寄存器標識，支持故障屏蔽（僅影響組合故障標志，不屏蔽詳細故障位）；關鍵監(jiān)測電路支持診斷注入（如電源 OV/UV 診斷），驗證監(jiān)測功能有效性；FAULT 引腳可配置為故障輸出，支持靜態(tài)電平或 PWM 提示。

3. 過流比較器（OCCA/OCCB）

• 快速過流檢測 ：與 ADC1A/1B 并行工作，采用獨立數(shù)字快速濾波器（固定 OSR=64），響應時間短于 ADC 采樣周期（典型 < 15.6μs），適合短路保護場景；
• 閾值與去抖配置 ：高 / 低閾值可編程（16 位，two's complement 格式），支持閾值禁用；去抖計數(shù)器（1-128 個濾波周期）可配置，避免噪聲誤觸發(fā)；
• 輸出接口 ：GPIO3/GPIO4 可復用為 OCCA/OCCB 輸出，支持推挽驅(qū)動，直接控制外部繼電器或報警電路，無需 MCU 干預。

4. 數(shù)字接口與控制

• SPI 接口 ：4 線 SPI（CSn、SCLK、SDI、DOUT），支持 24/32 位數(shù)據(jù)寬度，內(nèi)置 CCITT/ANSI CRC 校驗；DRDYn 引腳指示 ADC1A/1B 數(shù)據(jù)就緒（可配置由哪路 ADC 驅(qū)動），SYNC/RESETn 引腳支持同步或硬件復位。
• GPIO 功能 ：共 9 路 GPIO（GPIO0A/1A/0B/1B 基于 AVDD，GPIO0-4 基于 IOVDD），支持靜態(tài)輸入 / 輸出、PWM 輸入解碼 / 輸出；部分 GPIO 可復用為 FAULT、MHD（丟失主機檢測）、OCCA/OCCB 輸出，增強功能靈活性。
• 丟失主機檢測（MHD） ：監(jiān)測 SPI 通信間隔，若超時（可配置 5120/10240/20480 個 OSCD 周期），GPIO0/MHD 引腳輸出故障信號，保障無主機時系統(tǒng)安全。

四、應用設計要點

1. 電源與布局設計

• 供電配置 ：APWR/DPWR 需外接 1μF 低 ESR 電容去耦（靠近引腳），AVDD/IOVDD 外接 0.5-2μF 電容；LDO 輸出可對外提供 20mA 電流（如為數(shù)字隔離器供電），需注意負載電流不超過限值。
• 隔離與散熱 ：PCB 需嚴格區(qū)分模擬地（AGND/AGNDA/AGNDB）與數(shù)字地（DGND），單點連接；底部熱焊盤（Thermal Pad）必須連接 AGND，降低結(jié)溫；高壓采樣電路（如電壓分壓）與低壓控制電路需保持爬電距離（≥8mm），避免高壓竄入。

2. 模擬輸入設計

• 電流采樣 ：分流電阻需靠近 ADC1A/1B 輸入引腳，減少引線電阻誤差；采用雙絞線傳輸差分信號，串聯(lián) RC 抗混疊濾波器（推薦 50Ω+4.7nF，截止頻率 < 數(shù)據(jù)率 1/2）；負電荷泵支持分流器電壓低于地 1.3V，無需額外負電源。
• 電壓采樣 ：高壓電池電壓通過高精度高壓電阻分壓（如 2 個 1MΩ/200V 電阻分壓 900V 至 450mV），分壓電阻需選用低溫度系數(shù)（<25ppm/°C）型號；ADC2A 序列器配置足夠的多路復用延遲（如 256×tMCLK），確保分壓信號穩(wěn)定。
• 溫度采樣 ：外部 NTC 通過 ADC2A 單端輸入測量，需串聯(lián)限流電阻（如 1kΩ）；內(nèi)部溫度傳感器（TSA）適合芯片自身溫度監(jiān)測，測量誤差校準后可降至 ±1.5°C，需配置增益 2× 以優(yōu)化精度。

3. 初始化與校準

• 啟動流程 ：上電后先配置時鐘源（CLK_SOURCE，默認內(nèi)部振蕩器）、LDO 使能，待 SEC_FAIL 位清零（高側(cè)電源穩(wěn)定）后，配置 ADC 增益、OSR、序列器；復位后需等待 tREGACQ（44-114μs）或 DRDYn 上升沿，再開始通信。
• 校準配置 ：
  • 偏移校準：ADC1A/1B 通過 OCAL 寄存器（24 位）修正，ADC2A 通過 OCAL2A（16 位）修正；短接輸入后采集多組數(shù)據(jù)，取平均值寫入校準寄存器；
  • 增益校準：ADC1A/1B 通過 GCAL 寄存器（16 位）修正，ADC2A 通過 GCAL2A（16 位）修正；輸入已知精度的校準信號（如 1.2V / 增益 1×），計算增益系數(shù)并寫入。