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聊一聊:SCT2A10多串锂电池管理系统(BMS)应用设计

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发表于 2024-3-8 10:07:25 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式




1多串锂电池管理(BMS)









多串锂电池管理(BMS)位于电池包内部,与电池电芯组直接相连,负责监控电池芯状态,包含其电压、电流、温度等信息。同时,控制电池包与后级负载通断状态,保证锂电池包在安全状态下工作。






BMS一般由信号链路和电源两部分组成。信号链路部分由模拟前端AFE、NTC电阻、电流采样器完成对电池的采样监测;主控MCU负责依据电池采样监测信息进行控制,通讯接口通常为CAN接口负责与后端上位机通讯。电源部分包括降压DCDC转换器和功率开关管。降压DCDC负责从多串电池取输入电压转换成BMS内部供电电压。功率开关管主要职责在于依据MCU发出指令,将电池电芯与负载进行导通或者隔绝。

































图1,多串锂电池管理(BMS)

























2SCT2A10在多串锂电池管理(BMS)中的应用设计









芯洲科技高输入电压范围,同步降压转换器SCT2A10为多串锂电池管理提供完整、高性能和高可靠性方案。SCT2A10输入电压范围为45V至85V、输出电压可调,输出电流为06A的同步降压DCDC转换器。芯片内部集成了功率MOSFET管,导通电阻分别为上管800Ω,下管500Ω。采用COT谷值电流控制模式,内部集成回路补偿并减少外围器件数量,为用户简化了设计并降低了整机成本。SCT2A10的封装为ESOP-8,提供良好的散热。该芯片具备输出电压过压保护,开关谷值电流限制和过热保护,为际应用中的安全性提供多重保障。












图2,SCT2A10BMS电源设计架构



























下面以常见的12串锂电池管理(BMS)为例,详细解释SCT2A10设计具体步骤。图3是SCT2A10典型应用原理图。



















图3,12V输出原理图









设计目标参数



































1)输出电压设置






SCT2A10通过配置分压反馈电阻桥来设置输出电压,输出电压与分压反馈电阻桥的配置关系












R_5=(V_OUTV_REF-1)*R_6




(1)













针对12V输出电压:












R_5=(12V08V-1)*R_6




(2)













R5R6只需要满足公式(2)的比例关系既可以完成输出12V的设置。但是由于该分压电阻桥与12V输出直接相连,支路通过电流为:












I=12(R_5+R_6)




(3)












因此,分压电阻桥等效阻值过小,会导致支路通过电流偏大,影响整体转换效率;等效阻值过大,支路通过电流过小易遭受干扰,导致整体电路工作不稳定。推荐R6选择10K~30K之间常见阻值,这里选用20K。









R6=20K?,R6=280K?









为了增强抗噪声能力和负载动态响应速度,建议在分压电阻桥与FB管脚之间加入一个2K电阻R4,与R5并联一颗前馈电容C8100,


R6=20K?,R5=280K?,R4=2K?,C8=100。









2)频率设置






SCT2A10频率设置通过RT管脚对地接入频率设置电阻完成,频率设置电阻值和频率的关系如下:















R5K?=(KH)




(4)



















针对500KH,R5=500K?,选取E-96常见电阻表中常见阻值:R5=499K?













3)电感选择






在做电感选择的时候需要考虑很多因素,包括电感量,饱和电流,均方根电流,直流寄生电阻等,这些因素通常互相制约。例如,较大的电感量带来较小的电感电流纹波,提供较小的输出电压纹波,但是较大的电感量通常电感体积大、饱和电流小和直流寄生电阻大为代价。所以经验上电感的选择从确定电感电流纹波(ILPP)为切入点,ILPP通常选输出比较大电流的20~50%的经验值。






电感量L选择:















L=(V_OUT*(V_IN-V_OUT))(V_IN*I_LPP*_SW)




(5)



















由于电感电流纹波随输入电压变化,通常使用比较大输入电压来确定比较小电感量,以此来确定电感量的下线。公式如下:















L_MIN=V_OUT(_SW*LIR*I_(OUT()))*(1-V_OUTV_(IN()))




(6)



















因此:






VOUT=12V,VIN(MAX)=72V,LIR=40%,IOUT_MAX==600A,=500H






根据公式(6):LMIN=83H









在电感额定电流和电感饱和电流,尤其是电感饱和电流选择时,一定要选择饱和电流大于电路输出峰值电流(ILPEAK),同时也要大于输出均方根电流(ILRMS)。




















I_LPEAK=I_(OUT_MAX)+I_LPP2




(7)



















I_LRMS=√(〖(I_(OUT_MAX))〗^2+112*〖〖(I〗_LPP)〗^2)




(8)


















SCT2A10采用谷底电流检测方式,其过流保护08A为谷点电流。在做电感额定电流和饱和电流选择的时候,通常以过流保护点为比较大输出电流。



由此计算得ILPEAK=096A,ILRMS=0805A。






本设计推荐WE7447709820,电感量82H,额定电流275A,饱和电流34A。L=82H










4)输出电容选择






输出电容值决定电路静态输出电压纹波和动态响应性能。






静态输出电压纹波由两种原因造成:一是电感纹波电流通过输出电容等效寄生电阻(ESR);另一个是电感纹波电流对输出电容进行充电和放电。陶瓷电容ESR很小,因此在陶瓷电容为输出电容的电路中,静态输出电压纹波主要由上述第二种原因造成。
















C_OUT=(V_OUT*(V_IN-V_OUT))(8*〖_SW〗























5)输入电容选择









输入电容值决定输入电压稳定性,输入电容值与输入电压纹波的关系如下:








C_IN=I_OUT(_SW*?V_IN)*V_OUTV_IN*(1-V_OUTV_IN)




(10)













当V=2VOUT=24V时,输入电压纹波比较大。同时,?VIN=05%VIN,计算得:






CIN=416F,取接近值:



C1=222F,推荐WE885012209071,电容量22F,额定电压100V。






降压DCDC输入侧由于位于功率管前端,在功率管不断开关下处于非连续工作状态,建议加入一个01F高频电容,放置在离输入管脚越近越好。






C2=01F,推荐WE885012207128,电容量01F,额定电压100V。






























6)自举电容选择









自举电容C4位于SW管脚和BST管脚直接,用于产生上功率管驱动电压。







C4=01F,X7R陶瓷电容。


















7)UVLO电阻桥选择




UVLO电阻桥用于设置启动和关断电压,通常启动电压高于关断电压,二者电压差称为迟滞电压。启动和关断电压与UVLO电阻桥的关系如下:












R_1=(V_S(V_ENFV_ENR)-V_S)(I_1
(1-V_ENFV_ENR)+I_2)


(11)
















R_2=(R_1×V_ENF)(V_S-V_ENF+R_1
(I_1+I_2))




(12)















其中:


?
VS为启动电压36V,即VIN=V,电路启动


?
VS为启动电压30V,即VIN=V,电路关断


?I1=1A


?I2=3A


?VENR=121V


?
VENF=105V












R1=395778K?,R2=14354K?。根据E-96电阻表,选择相近电阻值:R1=392K?,R2=143K?



如果没有调节启动和关断电压阈值要求,可以R1=100K?,R2悬空。



完整设计原理图如下图4:



















图412V输出,完整设计原理图








3PCB版图注意事项









良好的PCB版图是保证电路稳定、高效工作的关键。PCB板上的寄生电感、寄生电容很容易在高速开关的电流或者电压通路上产生噪声。请按照下面的L指南进行布线:






1)功率地布线非常关键。金规则是比较小阻抗布线和功率均匀散开布线。尽可能在表层保留比较够大的GND铺铜,散热焊盘处开窗且留有足够多的对底层过孔(推荐不少于6个过孔,孔内径推荐8),底层地铺铜尽量不要有割线。






2)输入电容(尤其是01F输入电容)放置在VIN和GND管脚尽可能近的位置,推荐使用0805封装。






3)输出电压铺铜与地铺铜留足够空间,推荐20以上间隙,防止高压爬电现象。






4)输出电感放置与SWPIN脚越近越好。表层SW回路需要比较小阻抗。






5)反馈电阻桥R4,R5,R6,C8放置位置离FB管脚尽可能近,且应当连接到模拟小信号地上,该模拟小信号地为单独地区域,单点与GND脚相连。






6)R3离RT管脚尽可能近。






7)C4建议在高层走线,离SW和BST管脚尽可能近,推荐线宽10。

















4测试结果









测试条件:V=48V,V=12V
















图5输出纹波,I=600A











图6输出动态响应(007A-053A,SR=250A)
















5引用















详情请参考:SCT2A10STER































众所周知,dcdc电源芯片的出现值得很多人的关注,激起了整个市场的波澜。公司通过提升产品的功率密度、转换效率、EMI友好等性能,帮助客户解决散热、小型化、安全以及易用性等系统应用方面的挑战,保障客户电子电气产品高效、节能、安全运行。https://www.silicontent.com/

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