想想那句稱(chēng)為“墨菲定律”的古老格言：“凡是可能出錯(cuò)的事情均會(huì)出錯(cuò)。”。在過(guò)去50年中，基于電子組件的系統(tǒng)得到了充分發(fā)展，已經(jīng)能夠以非凡的高可靠性提供非常先進(jìn)的監(jiān)視和控制功能。擔(dān)心可靠性一般是因?yàn)閷?duì)人的生命有潛在危險(xiǎn)，緊隨其后的原因是故障導(dǎo)致的高額損失和產(chǎn)品用戶(hù)對(duì)滿(mǎn)意度的下降。不過(guò)，事物從來(lái)都不是完美的，因此總是需要不斷地提高可靠性，以產(chǎn)生安全、耐久的電子系統(tǒng)。

　　當(dāng)系統(tǒng)可靠性必須保證而別無(wú)選擇時(shí)，最好但也最昂貴的方法是，使用完全冗余的電路。完全一樣的電路同時(shí)執(zhí)行相同的功能，而且對(duì)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行某種形式的表決以始終產(chǎn)生最安全的效果。在很多這類(lèi)系統(tǒng)中，如果檢測(cè)到有故障的電路，那么就自動(dòng)去掉該電路，并用一個(gè)相同的備份電路代替。對(duì)于長(zhǎng)期可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)，這是理想的拓?fù)?。另一方面，故障的后果并不總能證明完全冗余導(dǎo)致的高額費(fèi)用是合理的。這類(lèi)系統(tǒng)只是依靠所使用的每一個(gè)組件固有的可靠性。單個(gè)組件故障可能?chē)?yán)重毀壞系統(tǒng)或永久損害準(zhǔn)確度。具有這種性質(zhì)的設(shè)計(jì)假定存在大量風(fēng)險(xiǎn)，但是能以最低成本實(shí)現(xiàn)。

　　就高度可靠的系統(tǒng)而言，居于中間的方法是故障監(jiān)視，采用這種方法時(shí)，電路監(jiān)視各種不同的系統(tǒng)組件，并報(bào)告任何異常現(xiàn)象。由于在電路中的任何位置隨時(shí)都有可能發(fā)生任何事情，因此被監(jiān)視的元件越多越好。對(duì)于檢測(cè)到的故障所做出的反應(yīng)會(huì)是多種多樣的，從系統(tǒng)完全停機(jī) （例如：火車(chē)上的常閉式緊急停車(chē)開(kāi)關(guān)） 到某種簡(jiǎn)單的服務(wù)報(bào)警 （類(lèi)似于汽車(chē)中儀表板上的“傻瓜燈”） 等等。

　　本文將闡述如何通過(guò)使用 LTC6801 故障監(jiān)視 IC，提高一種高壓鋰離子電池組的長(zhǎng)期可靠性。在電動(dòng)型汽車(chē)、不中斷電源、醫(yī)療儀器甚至電動(dòng)工具等應(yīng)用中，用電池作電源是一種持續(xù)不斷的發(fā)展趨勢(shì)，這些應(yīng)用每種都有不同程度的可靠性預(yù)期。

　　長(zhǎng)壽命電池電源面臨的挑戰(zhàn)

　　對(duì)于電動(dòng)車(chē)和大量其它類(lèi)型的便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，電池已經(jīng)成為一種主要的非傳統(tǒng)能源。鋰離子電池非常受歡迎，因?yàn)榕c具有相同能量密度的其它化學(xué)組成的電池相比，鋰離子電池的能量密度允許鋰離子電池組更小、更輕。對(duì)于大功率應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如電動(dòng)型汽車(chē)，需要疊置數(shù)百個(gè)電池以形成一個(gè)高壓電源，這種電源產(chǎn)生更小的電流，可使用更細(xì)和重量更輕的導(dǎo)線(xiàn)。在這類(lèi)汽車(chē)應(yīng)用中，駕駛員的安全是第一位的，接下來(lái)是車(chē)主的滿(mǎn)意度。因此，實(shí)現(xiàn)安全可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行有顯而易見(jiàn)的理由。為達(dá)到這個(gè)目的，每節(jié)電池的電量都必須得到持續(xù)監(jiān)視，以在多年使用的情況下保持最佳水平。

　　在最簡(jiǎn)單的情況下，要求電路測(cè)量電池組中每節(jié)電池的電壓。這種測(cè)量一般是由一個(gè) AD 轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的，AD 轉(zhuǎn)換器將信息傳遞給一個(gè)微控制器。該控制器細(xì)致地管理所有電池的充電和放電，這樣電池工作時(shí)就不會(huì)超出一個(gè)嚴(yán)格的范圍，而超出這個(gè)范圍可能極大地縮短電池壽命。面對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中可能有數(shù)百個(gè)單個(gè)電池的情況，一種集成式測(cè)量電路可以極大地節(jié)省組件數(shù)。凌力爾特公司提供的 LTC6802 就是這樣一種集成式功能構(gòu)件。通過(guò)一個(gè)內(nèi)置的 12 位 ADC，它可以測(cè)量和報(bào)告多達(dá) 12 節(jié)電池以及兩個(gè)溫度傳感器上的電壓。任何數(shù)量的電池都可以相互疊置，所測(cè)得的每一組（由 12 個(gè)電池組成）電壓串行傳送到一個(gè)主微控制器。這些測(cè)量器件和控制器形成了電池管理系統(tǒng)的核心。

　　對(duì)于延長(zhǎng)電池的可用壽命來(lái)說(shuō)，仔細(xì)控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)是極其重要的，但是這也許還不足以讓要求越來(lái)越高的汽車(chē)客戶(hù)滿(mǎn)意。就敏感電子產(chǎn)品而言，汽車(chē)展現(xiàn)了一種嚴(yán)酷和危險(xiǎn)的運(yùn)行環(huán)境。要想無(wú)憂(yōu)無(wú)慮地獲得長(zhǎng)久滿(mǎn)意，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行“假設(shè)”分析是必要的。幾個(gè)要考慮的問(wèn)題也許是：

　　如果連接電池的一條導(dǎo)線(xiàn)斷開(kāi)了會(huì)怎么樣？

　　如果電壓測(cè)量準(zhǔn)確度偏移會(huì)怎么樣？

　　如果內(nèi)部寄存器位保持某個(gè)數(shù)值不變，總是指示一個(gè)良好的電池電壓讀數(shù)，會(huì)怎么樣？

　　如果測(cè)量 IC 不知怎么被嚴(yán)重的系統(tǒng)電壓瞬態(tài)損壞了，會(huì)怎么樣？

　　潛伏最深的問(wèn)題可能使控制器錯(cuò)誤地確定，一節(jié)電池或一個(gè)電池組處于完美狀態(tài)，而事實(shí)是，電池或電池組未以正確方法測(cè)量。之后，這些電池可能完全放電或被危險(xiǎn)地過(guò)沖電，而系統(tǒng)卻一點(diǎn)兒都沒(méi)意識(shí)到。需要某個(gè)東西來(lái)“監(jiān)視監(jiān)視器”，以實(shí)現(xiàn)更高水平的可靠運(yùn)行。

　　用 LTC6801 進(jìn)行電池管理系統(tǒng) （BMS） 的故障監(jiān)視

　　一種可替代完全冗余測(cè)量方法的方案是，將故障監(jiān)視電路與測(cè)量器件并聯(lián)，以起到復(fù)核系統(tǒng)基本功能的作用。圖 1 電路顯示對(duì)一個(gè)由 12 個(gè)鋰離子電池組成的電池組實(shí)施的這種方案，該方案使用一個(gè) LTC6802 測(cè)量器件和一個(gè)伴隨的 LTC6801 故障監(jiān)視器件。

　　圖 1：結(jié)合電池測(cè)量與故障檢測(cè)，以提高可靠性。

　　LTC6802 提供準(zhǔn)確的測(cè)量，而 LTC6801 檢查每節(jié)電池的過(guò)壓/欠壓狀態(tài)。通過(guò)按照指令測(cè)量和報(bào)告每節(jié)電池的電壓，并將放電電流加到電池上以分配每節(jié)電池的電量，LTC6802-1 成為該系統(tǒng)中的主要電子組件。數(shù)據(jù)通過(guò) SPI 串行數(shù)據(jù)鏈路傳送到控制器。同時(shí)，LTC6801 還監(jiān)視電池組中的每節(jié)電池。不用系統(tǒng)控制器的干預(yù)，LTC6801 就能周期性地對(duì)每節(jié)電池的電壓采樣，并執(zhí)行簡(jiǎn)單的欠壓和過(guò)壓比較。如果所有情況都正常，那么 LTC6801 就在狀態(tài)輸出 （Status Output） 線(xiàn)上提供一個(gè)差分時(shí)鐘信號(hào)。如果有任何事情不正確，那么這個(gè)時(shí)鐘就停止。至于問(wèn)題的本質(zhì)，LTC6801 不提供任何信息，因?yàn)樗皇侵甘灸臣虏徽_。這個(gè)時(shí)鐘一旦停止，那么控制器就可以執(zhí)行診斷程序，以確定出現(xiàn)了什么問(wèn)題。

　　遠(yuǎn)不止于一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器

　　LTC6801 的設(shè)計(jì)仔細(xì)考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障，同時(shí)還具有易用性。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求是，允許該器件自動(dòng)運(yùn)作，而無(wú)需任何軟件。惟一的外部需求是電源 （由電池組本身提供） 和一個(gè)使能時(shí)鐘信號(hào)。沒(méi)有使能時(shí)鐘輸入，LTC6801 就停留在一種靜態(tài)低功率狀態(tài)，僅從電池組抽取幾 uA 的電流。該使能時(shí)鐘可以由系統(tǒng)控制器或任何其它振蕩源 （諸如 LTC6906 硅振蕩器） 提供。一接收到時(shí)鐘信號(hào)，該器件就自動(dòng)喚醒并開(kāi)始監(jiān)視所有電池。

　　圖 2：LTC6801 的內(nèi)部電路提供的不僅是簡(jiǎn)單的比較器功能

　　REGULATOR：穩(wěn)壓器

　　MUX：多工器

　　REFERENCE：基準(zhǔn)

　　SELF TEST REFERENCE：自測(cè)試基準(zhǔn)

　　DIGITAL COMPARATORS：數(shù)字比較器

　　DECODER：解碼器

　　UV/OV FLAGS AND CONTROL LOGIC：UV/OV標(biāo)記和控制邏輯

　　“GOOD”：“良好”

　　圖 2 是 LTC6801 基本組件的方框圖。一個(gè) 12 位增量累加 AD 轉(zhuǎn)換器 （ADC） 對(duì)多達(dá) 12 節(jié)電池以及兩個(gè)溫度傳感器的電壓進(jìn)行濾波和數(shù)字化。一個(gè) 5V 的穩(wěn)壓器和一個(gè)精確微調(diào)的 3V ADC 電壓基準(zhǔn)是內(nèi)置的。器件全部工作特性的設(shè)定都由將器件引腳搭接到 5V 穩(wěn)壓器、3V 基準(zhǔn)或 V- 來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)需外部組件。

　　圖 3：電池電壓報(bào)警門(mén)限的選擇是通過(guò)引腳搭接設(shè)定的。

　　Cell Voltage Thresholds：電池電壓門(mén)限

　　Cell Voltage：電池電壓

　　Pin Strap Programming Voltage Combinations：引腳搭接設(shè)定電壓組合

　　圖 3 繪出的是可設(shè)定的過(guò)壓和欠壓門(mén)限范圍。選擇過(guò)壓 （OV） 門(mén)限是為了使用具有3.3V 標(biāo)稱(chēng)電壓和 4.2V 告警電平的鋰離子電池，而欠壓 （UV） 門(mén)限對(duì)電池電量耗盡提供一個(gè)合理的指示。OV 和 UV 門(mén)限由不同的引腳設(shè)定，因此任何組合都有可能。OV 和 UV 電平必須設(shè)定，以在不是太接近正常電池電壓時(shí)，就可指示某件事可能出錯(cuò)了，否則有可能引起故障檢測(cè)電路出現(xiàn)討厭的跳變。

　　還有可能給這些門(mén)限設(shè)定高達(dá) 500mV 的固定遲滯。當(dāng)檢測(cè)到的故障觸發(fā)的動(dòng)作有可能引起電池上的電壓變化時(shí)，如立即斷開(kāi)負(fù)載與電池組的連接，設(shè)定固定遲滯很有用。遲滯可以防止跳進(jìn)和跳出故障狀態(tài)。