MAX14921模拟前端(AFE)与模数转换器(ADC)和电压基准相结合,为电池(电池组)测量提供高性能、高性价比的解决方案。为了达到最高精度,必须注意印刷电路板(PCB)布局。本应用笔记提供了一些布局建议,遵循这些建议后,可帮助您实现解决方案能够提供的最高精度。
介绍
MAX14921是高性能的构建模块,在高精度电池组测量应用中至关重要。这种增强的精度对于新的磷酸锂电池填料尤其重要,其充电和放电曲线非常平坦,特别是在65%至95%的充电状态(SOC)区域。MAX14921独特的采样保持架构具有出色的精度,可将电池电压采集误差和不同时间采样电芯误差降至最低。
随着精度的提高,设计过程中需要更加小心。本应用笔记介绍了一些简单而有效的布局指南,以帮助您实现这种增强精度的好处。
降低噪音
以下与噪声相关的指南是现代PCB布局领域的实践者所熟知的,因此这些指南更多地提醒了对MAX14921噪声管理最关键的布局方面。
旁路电容器
众所周知,旁路电容器是重要的电路元件,有利于在噪声进入集成电路(IC)之前对其进行滤除。为了获得最大效果,重要的是将旁路电容器放置在尽可能靠近其IC电源引脚的位置。表1详细说明了MAX14921的旁路电容要求。
引脚名称 | 引脚编号 | 电容器值 | 返回 |
VL | 5 | 0.1μF | DGND (6) |
V一个 | 12 | 1.0μF | 阿格德 (11) |
VP | 14 | 0.1μF | 阿格德 (11) |
它可能会挤在IC的左侧,数字SPI接口、模拟T1、T2、T3输入、模拟输出、电源引脚和一些采样电容争夺空间。为了缓解拥塞,回想一下MAX14921下方的空间可用。PCB焊接侧的过孔位于MAX14921下方,可以路由信号,也可以连接到放置在那里的电容。
保持从电容器到其各自引脚的电源走线尽可能短。对于某些布局,这意味着在焊接侧放置电容器。如果元件侧只能安装一个旁路电容器,则应为引脚 12 (V一个) 电容器。
下图说明了一些布局示例,这些示例取自4层评估板。在这些示例中,顶部铜是红色,第 2 层(绿色)是 DGND,第 3 层(黄色)是 V5V,第 4 层(蓝色)是底部铜。第一个示例显示了 V 如何L被绕过,假设 VL处于 3.3V 电压。在图1中,铜继续经过MAX14921下方的引脚5,在MAX14921下方,通过旁路电容C22在电路板的焊接侧,位于MAX14921下方。电容器的另一侧回溯到第 2 层 DGND。
图1.MAX14921引脚5旁路电容示例
图 2 显示了 V 如何P被绕过。与引脚5一样,顶部铜线继续通过MAX14921下方的IC引脚,并通孔到达IC下方的旁路电容。由于引脚 13 的返回是 AGND,因此 C24 的另一侧转到引脚 11,而不是连接到 DGND 平面。
图2.MAX14921引脚14旁路电容示例
图 3 显示了如何绕过 VA。如下所述,AGND信号(引脚11)与AOOUT信号(引脚10)平行是有利的。因此,通常最简单的方法是将引脚12旁路电容与MAX14921本身放在PCB的同一侧。这最大限度地提高了该旁路电容器的有效性。
图3.MAX14921引脚12旁路电容示例
ADC 岛
另一种管理噪声的技术是在敏感的模拟元件下设置单独的接地岛。图4显示了ADC U3的单独接地岛,以及引脚11如何连接到该岛。白色轮廓突出显示了MAX14921 AGND引脚的走线如何连接到C20左侧通孔处的ADC接地岛,C20是专用于该接地岛的旁路电容。DGND平面和AGND网络之间的唯一连接是ADC地面岛右上角的过孔,也以白色轮廓突出显示。
图4.ADC (U3) 的地面岛。
将AOT连接到ADC
作为整体解决方案的一部分,MAX14921 AOOUT信号(引脚10)连接到ADC输入。图 5 中的布局显示了执行此操作的好方法。AOT走线(突出显示)具有接地浮雕(从第2层,DGND)一直到由R2和C25组成的RC滤波器。此外,引脚 11 的 AGND 走线与 AOUT 走线平行。最好为RC滤波器留下足迹。该滤波器的合理起始值为220Ω,220pF。
图5.从AOOUT引脚到ADC的连接。
过滤 T1、T2 和 T3
滤波 T1、T2 和 T3 模拟输入也是一个好主意。如果这些信号来自温度传感器,请使用1kΩ和10nF等RC网络作为起点。否则,从220Ω和2.2nF等RC网络开始。
数字信号分离
MAX14921只有几个数字信号、SPI接口(SCLK、SDI、SDO和#CS)以及SAMPL引脚和EN引脚(如果在设计中使用最后两个)。这些数字信号需要远离敏感的模拟输入和输出,其中最关键的是AOOUT信号(引脚10)。理想情况下,将这些数字信号保持在与模拟信号不同的层上,但如果特别注意将它们分开,这并不是绝对必要的。
保持准确性
经过一些仔细的布局规划,可以保持电池组电压在到达ADC的途中的精度。
将电源与信号分离
The MAX14921 VP引脚为电池组的前端接口供电。它直接连接到电池组的顶部,CV16引脚(用于16节电池组)也是如此。但是,这些连接需要保持独立,从尽可能靠近电池开始。V通用的任何接线中的电流PCV16 会导致 IR 压降,从而降低在 CV16 处测量的电压精度。
同样的准则也适用于VC0和AGND。来自AGND的电流将导致两者共有的任何接线中的IR压降,从而降低CV0处信号的精度。这就是为什么MAX14921的评估(EV)板具有独立的V连接器引脚。P和 CV16,以及 CV0 和 AGND。
将杂散电容降至最低
MAX14921工作在两相。第一相采集采样电容上的电池电压。第二阶段将这些电压从采样电容传输到ADC。在第二阶段,CT_引脚上的任何杂散电容都会通过电荷注入降低电压测量精度。
实际上,这意味着在所有采样电容和MAX14921之间以及AOOUT引脚和ADC输入之间尽可能使用短而细的走线。由于采样电容的占位面积为0805,因此如何保持所有走线尽可能短可能并不明显。
一种有效的技术是将采样电容端接,并优先保持与CT_引脚的连接尽可能短。CB_迹线长度必然会更长。为了补偿这一点,每个电容器下方的接地层中的一个岛连接到其相应的CB_引脚。这将最大限度地减少来自该采样电容的杂散电容。
图6给出了一个示例,详细说明了与底排MAX14921采样电容引脚的连接(CT14、CB14、CT13、CB13、CT12、CB12、CT11和CB11)。例如,请注意引脚29(CT13)与其采样电容的走线较短,但引脚30(CB13)(突出显示的走线)较长。另请注意,该电容器下方的单独接地岛如何通过其下方的通孔连接到 CB13 网络。
图6.最小化采样电容处的杂散电容 — 隐藏第 3 层(黄色)以提高清晰度。
结论
本应用笔记重点介绍了一些简单的布局指南,有助于确保获得MAX14921方案所能达到的亚毫伏级精度。这些准则的应用示例可供下载。
审核编辑:郭婷
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