該ADS131B23是一款用于工業(yè)電池管理系統(tǒng) （BMS） 的完全集成的高壓電池組監(jiān)視器。

該ADS131B23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.pdf

另一個多路復(fù)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(fù)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。

該ADS131B23采用48引腳HTQFP封裝，額定汽車溫度范圍為–40°C至+105°C。

特性

• 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(fù)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

一、產(chǎn)品概述

ADS131B23 專為工業(yè) BMS 設(shè)計，集成多通道 ADC 與豐富監(jiān)控功能，可實現(xiàn)電池電流、電壓、溫度的一體化監(jiān)測，核心定位是簡化高壓電池組監(jiān)測電路設(shè)計，提升系統(tǒng)安全性與集成度。

1. 核心功能定位

• 多參數(shù)采集 ：通過雙 24 位電流采樣 ADC、16 位電壓 / 溫度采樣 ADC，覆蓋電池組關(guān)鍵監(jiān)測需求；
• 安全防護 ：內(nèi)置過流比較器、多維度故障監(jiān)測（電源 / 時鐘 / 數(shù)字信號），滿足功能安全設(shè)計需求；
• 高集成度 ：集成線性穩(wěn)壓器、GPIO（支持 PWM）、SPI 接口，減少外部元器件數(shù)量，簡化 PCB 布局。

2. 基礎(chǔ)參數(shù)

二、核心特性

1. 多通道 ADC 采集系統(tǒng)

（1）雙 24 位電流采樣 ADC（ADC1A/ADC1B）

專為分流電阻電流測量設(shè)計，支持冗余采集，提升數(shù)據(jù)可靠性：

• 性能參數(shù) ：
  • 分辨率：12 位；
  • 滿量程范圍（FSR）：±39mV~±312.5mV（可編程增益 4/8/16/32），適配不同阻值分流電阻；
  • 精度指標(biāo)：失調(diào)誤差最大 ±1.5μV，增益漂移最大 20ppm/°C，確保全溫域測量精準(zhǔn)；
  • 數(shù)據(jù)率：500SPS~64kSPS，可根據(jù)監(jiān)測需求靈活配置。
• 核心功能 ：
  • 實時電流監(jiān)測：ADC 可間接監(jiān)測輸出電流穩(wěn)定性，配合可編程報警功能反饋過流 / 欠流；
  • 全局斬波模式（Global-Chop）：開啟后可將失調(diào)誤差與漂移進一步降低，提升小電流測量精度；
  • 開路檢測：集成 4μA/40μA/240μA 可編程電流源 / 灌，檢測分流電阻引腳開路故障。

（2）16 位電壓 / 溫度采樣 ADC（ADC2A）

8 路模擬輸入，支持多參數(shù)復(fù)用采集：

• 性能參數(shù) ：
  • 分辨率：16 位；
  • 滿量程范圍（FSR）：±312.5mV~±1.25V（可編程增益 1/2/4）；
  • 輸入靈活性：支持單端 / 偽差分輸入，適配熱敏電阻（溫度）、外部電阻分壓（電壓）等信號。
• 核心功能 ：
  • 通道序列器：自動遍歷配置的多路輸入，減少 SPI 通信開銷；
  • 電源電壓回讀：可采集 APWR/DPWR/AVDD 等電源電壓，監(jiān)測供電穩(wěn)定性；
  • 內(nèi)部溫度傳感器：集成片內(nèi)溫度傳感器（TSA），輸出電壓與溫度呈線性關(guān)系（25°C 時 118.4mV，溫度系數(shù) 410μV/°C）。

2. 過流保護與故障監(jiān)測

（1）數(shù)字過流比較器（OCCA/OCCB）

與 ADC1A/ADC1B 并行工作，提供快速過流響應(yīng)：

• 響應(yīng)速度 ：采用固定 OSR=64 的 sinc3 濾波器，響應(yīng)時間最短 < 1μs（視輸入超調(diào)量）；
• 閾值配置 ：支持可編程高 / 低閾值（16 位），可設(shè)置觸發(fā)次數(shù)（1~128 次），避免誤觸發(fā)；
• 輸出指示 ：可通過 GPIO3/OCCA、GPIO4/OCCB 引腳直接輸出過流信號，無需 SPI 通信。

（2）全方位故障監(jiān)測

覆蓋電源、時鐘、數(shù)字信號等多維度，保障系統(tǒng)可靠性：

• 電源監(jiān)測 ：監(jiān)測 AVDD/IOVDD/DVDD 的過壓 / 欠壓、振蕩、過溫（LDO 溫度）、電流限制，AGND/DGND 引腳開路檢測；
• 時鐘監(jiān)測 ：主時鐘（MCLK）與診斷振蕩器（OSCD）頻率監(jiān)控，時鐘看門狗（超時閾值可編程）；
• 數(shù)字監(jiān)測 ：寄存器 / 內(nèi)存映射 CRC 校驗、GPIO 讀寫回環(huán)檢測、SPI 通信 CRC / 超時 / SCLK 計數(shù)故障。

3. 靈活的數(shù)字接口與 GPIO

（1）SPI 接口

• 通信安全 ：支持 16 位 CCITT/ANSI CRC 校驗，防止數(shù)據(jù)傳輸錯誤；
• 配置靈活 ：數(shù)據(jù)字長可設(shè) 24/32 位，支持寄存器讀寫、命令響應(yīng)（如 LOCK/UNLOCK）；
• 超時保護 ：SPI 超時監(jiān)測（超時時間可編程），避免通信異常導(dǎo)致系統(tǒng)卡死。

（2）GPIO 功能

• 數(shù)量與功能 ：共 9 路 GPIO（4 路參考 AVDD，5 路參考 IOVDD），支持輸入 / 輸出、PWM 生成 / 解碼；
• 特殊功能復(fù)用 ：GPIO0 可配置為 “丟失主機檢測（MHD）” 輸出，GPIO2 可配置為 “故障（FAULT）” 輸出，GPIO3/4 可配置為過流比較器輸出；
• PWM 能力 ：支持靜態(tài)電平 / PWM 輸出，PWM 周期與占空比可編程（時間基準(zhǔn) 16×tMCLK~1024×tMCLK）。

4. 電源管理與可靠性

• 內(nèi)置穩(wěn)壓器 ：集成 AVDD（3.3V）、IOVDD（3.3V）、DVDD（1.6V）線性穩(wěn)壓器，輸入電壓最高 16V，輸出電流最大 20mA，支持外部電路供電；
• ESD 防護 ：人體放電模型（HBM）±2000V，帶電器件模型（CDM）±500V，符合工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)；
• 低功耗設(shè)計 ：休眠模式電流典型值 0.46mA，掉電模式電流≤0.01mA，適配低功耗場景。

三、功能架構(gòu)與典型應(yīng)用

1. 核心架構(gòu)

采用 “模擬采集 - 數(shù)字處理 - 故障監(jiān)控” 三層架構(gòu)，模塊協(xié)同保障功能實現(xiàn)：

• 模擬采集層 ：ADC1A/ADC1B 采集電流，ADC2A 采集電壓 / 溫度，內(nèi)置 1.25V 高精度基準(zhǔn)源（溫漂最大 15ppm/°C）；
• 數(shù)字處理層 ：含 SPI 接口解析、時序控制器、PWM 生成器，負責(zé)指令接收、數(shù)據(jù)格式化、GPIO 控制；
• 故障監(jiān)控層 ：電源 / 時鐘 / 數(shù)字信號監(jiān)測模塊實時檢測異常，通過 FAULT 引腳或中斷輸出報警，支持故障診斷注入測試。

2. 典型應(yīng)用場景

（1）電池儲能系統(tǒng)（ESS）

• 電流監(jiān)測 ：2 路 ADC1A/ADC1B 冗余采集分流電阻電流，過流比較器快速響應(yīng)短路故障；
• 電壓監(jiān)測 ：ADC2A 通過外部電阻分壓采集電池組總電壓，8 路輸入可覆蓋多節(jié)電池電壓采樣；
• 溫度監(jiān)測 ：ADC2A 接入熱敏電阻，監(jiān)測電池與分流電阻溫度，避免過熱風(fēng)險。

（2）工業(yè) BMS 高壓測量單元（HMU）

• 高集成設(shè)計 ：單芯片實現(xiàn)電流 / 電壓 / 溫度采集，減少外部運放、ADC、比較器等器件，縮小 PCB 面積；
• 功能安全 ：多維度故障監(jiān)測與診斷功能，滿足 ISO 26262 等功能安全標(biāo)準(zhǔn)需求；
• 通信穩(wěn)定 ：SPI 帶 CRC 校驗，支持 “丟失主機檢測”，確保與 MCU 通信可靠性。

四、電氣特性與設(shè)計建議

1. 關(guān)鍵電氣特性（典型值，TA=25°C，APWR=5V，DPWR=5V）

2. 設(shè)計建議

（1）電源與基準(zhǔn)設(shè)計

• 去耦電容 ：APWR/DPWR 引腳就近并 1μF 鉭電容 + 0.1μF 陶瓷電容，RCAPA/RCAPB（基準(zhǔn)輸出）并 1μF 陶瓷電容；
• 電源隔離 ：模擬地（AGND）與數(shù)字地（DGND）單點連接，避免地彈噪聲影響 ADC 精度；
• 基準(zhǔn)保護 ：內(nèi)部基準(zhǔn)（REFA/REFB）輸出電流最大 250μA，外部負載需控制在額定范圍內(nèi)。

（2）模擬布局

• 電流采樣路徑 ：ADC1A/ADC1B 的 CPA/CNA、CPB/CNB 引腳遠離數(shù)字信號線，布線對稱，減少寄生電感；
• 電壓采樣隔離 ：ADC2A 的模擬輸入（V0A~V7A）與高壓電路隔離，避免串?dāng)_；
• 散熱設(shè)計 ：封裝底部熱焊盤需接 AGND，并通過 PCB 銅皮增強散熱，結(jié)到環(huán)境熱阻（RθJA）約 23.7°C/W。

（3）SPI 通信與 GPIO 配置

• SPI 時序 ：SCLK 頻率建議≤10MHz，確保 CSn、SDI/SDO 時序滿足建立 / 保持時間要求（如 SDI 建立時間≥5ns）；
• GPIO 功能復(fù)用 ：根據(jù)需求配置特殊功能（如 FAULT/MHD/OCC），避免引腳功能沖突；
• 故障處理 ：建議使能關(guān)鍵故障監(jiān)測（如電源過壓、過流），并配置 FAULT 引腳中斷，確保系統(tǒng)快速響應(yīng)。