ADS131B23-Q1 汽车级高压电池组监控器技术总结

ADS131B23-Q1 是一款完全集成的高压电池组监视器，适用于汽车电动汽车 （EV） 电池管理系统 （BMS）。

ADS131B23-Q1集成了两个同步采样、高精度、24位ADC通道（ADC1A、ADC1B），可使用外部分流电阻以高分辨率和精度冗余测量电池电流。两个独立的数字比较器可与两个ADC并联快速检测过流。
*附件：ads131b23-q1.pdf

另一个多路复用16位ADC（ADC2A）可用于使用外部高压电阻分压器测量系统中的分流温度和其他电压，例如电池组电压。分流温度是使用外部温度传感器（例如热敏电阻或模拟输出温度传感器）测量的。ADC2A配备了一个通道定序器，该定序器可自动步进配置的多路复用器输入，以减少SPI上的通信。

该器件集成了许多监控和诊断功能，以缓解和检测随机硬件故障，以帮助开发功能安全的 BMS。

输入范围高达 16V 的内部线性稳压器支持使用非稳压 DC/DC 转换器为器件供电。

ADS131B23-Q1采用48引脚HTQFP封装，额定工作温度范围为–40°C至+105°C。

特性

• 符合 AEC-Q100 标准，适用于汽车应用
  • 温度等级 1：–40°C 至 +125°C，TA
• 符合功能安全标准
  • 专为功能安全应用而开发
  • 提供文档，以帮助 ISO 26262 功能安全系统设计，最高可达 ASIL D
  • 系统能力高达 ASIL D
  • 硬件能力高达 ASIL D
• 两个同步采样的 24 位 ADC（ADC1A、ADC1B）用于电流分流测量：
  • 可编程满量程范围：
    • ±39mV 至 ±312.5mV
    • 支持广泛的分流电阻值和电流测量范围
  • 通过以下方式实现高精度电流分流测量：
    • 失调误差：±1.5μV （最大值）
    • 增益漂移：20ppm/°C（最大值）
  • 可编程数据速率：500SPS至64kSPS
  • 每个 ADC 的数字过流比较器具有可编程阈值，用于快速过流检测
• 一个用于电压和温度测量的多路复用 16 位 ADC （ADC2A）：
  • 8 个模拟输入
  • 可编程满量程范围：±312.5mV 至 ±1.25V
  • 通道音序器
• 用于缓解和检测随机硬件故障的监控和诊断功能
• 电源电压范围：2.9V至16V
• SPI 兼容接口
• 9 个具有 PWM 功能的 GPIO

参数

方框图

ADS131B23-Q1 是德州仪器（Texas Instruments）推出的 汽车级高压电池组监控器 ，专为混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）的电池管理系统（BMS）设计，集成 3 路 ADC 通道（2 路 24 位电流采样 ADC、1 路 16 位电压 / 温度采样 ADC）、强化功能安全机制与灵活数字接口，可实现电池电流、电压、温度的高精度同步监测，同时满足汽车电子严苛的环境适应性与安全标准。以下从核心特性、性能参数、功能模块、应用设计及使用信息等方面展开总结。

一、核心特性与产品定位

1. 基础参数与架构

• ADC 通道配置 ：集成 2 路同步采样 24 位 ADC（ADC1A、ADC1B）用于分流电阻电流测量，1 路多路复用 16 位 ADC（ADC2A）用于电压与温度测量；ADC1A/1B 支持可编程增益（4×-32×），ADC2A 支持增益（1×-4×），适配不同幅度信号采样。
• 汽车级可靠性 ：符合 AEC-Q100 Grade 1 标准，工作温度范围 - 40°C 至 125°C（结温最高 150°C）；ESD 防护达人体放电模型（HBM）±2000V、带电器件模型（CDM）角落引脚 ±750V / 其他引脚 ±500V，适配发动机舱、电池包等恶劣环境。
• 功能安全合规 ：按功能安全应用开发，提供 ISO 26262 功能安全系统设计支持文档，系统能力与硬件能力均达 ASIL D 级，集成多维度故障监测与诊断功能，降低随机硬件故障风险。
• 高集成度 ：内置线性稳压器（AVDD/IOVDD LDO，输入 4V-16V，输出 3.3V）、负电荷泵（支持输入电压低于地 1.3V）、测试 DAC、开路检测电流源 /sink、温度传感器，减少外部元器件数量，简化 BMS 硬件设计。

2. 环境适应性与封装

• 供电范围 ：模拟电源（APWR）与数字电源（DPWR）均支持 2.9V-16V 宽电压输入，适配未稳压的 DC/DC 转换器供电；AVDD（模拟逻辑）与 IOVDD（数字 I/O）支持 2.9V-5.5V，满足不同电平接口需求。
• EMI 性能 ：集成扩频时钟技术，符合 CISPR-25（汽车）辐射标准，减少对车载射频系统的干扰；内部信号链采用低噪声设计，降低测量误差。
• 封装规格 ：48 引脚 HTQFP（PHP 封装），尺寸 9mm×9mm，引脚间距 0.8mm，适配汽车电子常规 PCB 布局，底部热焊盘需连接 AGND 以优化散热。

二、关键性能指标

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

性能参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
分辨率	-	-	24	-	Bits
满量程范围（FSR）	增益 = 4×	-	±312.5	-	mV
	增益 = 32×	-	±39	-	mV
输入失调误差（基准）	全局斩波模式关闭，增益 = 4×	-100	±10	330	µV
	全局斩波模式开启，所有增益	-1.5	±0.5	1.5	µV
失调误差温度系数	全局斩波模式开启	-0.3	±0.1	0.3	µV/°C
增益误差	TA=25°C，端点拟合	-0.15	±0.05	0.15	%FSR
增益漂移	所有增益，含基准漂移	-	5	20	ppm/°C
共模抑制比（CMRR）	f=50/60Hz，共模电压范围内	-	110	-	dB
无杂散动态范围（SFDR）	f=50/60Hz，VIN=-0.5dBFS	-	105	-	dB
输入等效噪声（0.1Hz-10Hz）	增益 = 8×，fDATA=1kSPS	-	0.65	-	µVRMS
通道串扰	相邻通道间，f=50/60Hz	-	-120	-	dB

2. 电压 / 温度测量 ADC（ADC2A，16 位）性能（典型值，同上测试条件）

性能参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
分辨率	-	-	16	-	Bits
满量程范围（FSR）	增益 = 1×	-	±1.25	-	V
	增益 = 4×	-	±312.5	-	mV
输入失调误差	增益 = 2×/4×	-25	±5	25	µV
	增益 = 1×	-	60	300	µV
失调漂移	增益 = 2×/4×	-	30	150	nV/°C
增益误差	TA=25°C，含基准误差	-0.3	±0.1	0.3	%FSR
共模抑制比（CMRR）	DC 条件	-	95	-	dB
输入阻抗	OSR=512，所有增益	-	120	-	MΩ

3. 电源与温度传感器性能

性能参数	测试条件	数值范围 / 典型值	单位
线性稳压器（AVDD/IOVDD）输出	无负载	3.1-3.3-3.5	V
	负载电流	最大 20	mA
静态电流（APWR）	所有 ADC 使能，高分辨率模式	4.8-5.8	mA
	待机模式	0.46	mA
内部温度传感器	TA=25°C 输出电压	118.4	mV
	温度系数（TS_TC）	410	µV/°C
	测量误差（校准后）	±1.5	°C

三、核心功能模块

1. ADC 信号链与采样机制

（1）电流采样 ADC（ADC1A/1B）

• 同步采样与增益控制 ：2 路 ADC 严格同步采样，支持独立增益配置（4×/8×/16×/32×），通过 GAIN1A/1B 寄存器设置；满量程输入电压随增益变化（增益 4× 时 ±312.5mV，增益 32× 时 ±39mV），适配 0.05A-100A 宽范围电流测量（配合不同阻值分流电阻）。
• 全局斩波模式 ：开启后通过输入极性切换与两次采样平均，显著降低失调误差与温度漂移（失调误差降至 ±1.5µV，漂移 ±0.1µV/°C），适合高精度长期监测场景；数据率约为正常模式的 1/3，需平衡精度与速度需求。
• 数字滤波器 ：采用 sinc³ 滤波器，过采样率（OSR）可编程（64-8192），数据率范围 500SPS-64kSPS；滤波器建立时间随 OSR 增加延长（OSR=1024 时约 3120 个 CLK 周期），需忽略未稳定数据。

（2）电压 / 温度采样 ADC（ADC2A）

• 多路复用与序列器 ：支持 8 路模拟输入（V0A-V7A），集成通道序列器，可自动遍历配置的输入通道（最多 16 个序列步骤），减少 SPI 通信开销；序列模式支持单次触发、连续触发、与 ADC1A 采样同步触发，适配不同监测节奏需求。
• 测量配置 ：支持单端（单极性 / 双极性）、伪差分测量；单端模式下增益 1×/2× 仅支持 0-VREF 输入，增益 4× 支持 ±312.5mV 双极性输入；伪差分模式通过 VCMA 缓冲器提供 0.78V 偏置，适配高压电池电压分压采样（如 900V 输入分压至 ±1.25V）。
• 辅助测量功能 ：可直接测量内部温度传感器（TSA）、电源电压（APWR/DPWR/AVDD 等，通过内置分压电路衰减）、测试 DAC 输出，实现系统自检与状态监控。

2. 功能安全与故障诊断

• 多维度故障监测 ：
  • 电源监测：AVDD/IOVDD/DVDD 的过压（OV）、欠压（UV）、振荡、过流、过热警告，AGND/DGND 引脚断开检测；
  • 时钟监测：主时钟（MCLK，内部 8.192MHz 振荡器或外部时钟）与诊断振荡器（OSCD）的频率偏差、 watchdog 超时检测；
  • 数字监测：寄存器映射 CRC（3 个分区）、内存映射 CRC、GPIO 读写回环检测；
  • 通信监测：SPI CRC 校验、超时、SCLK 计数错误、非法寄存器访问检测。
• 故障响应与诊断 ：所有故障通过 STATUS 寄存器标识，支持故障屏蔽（仅影响组合故障标志，不屏蔽详细故障位）；关键监测电路支持诊断注入（如电源 OV/UV 诊断），验证监测功能有效性；FAULT 引脚可配置为故障输出，支持静态电平或 PWM 提示。

3. 过流比较器（OCCA/OCCB）

• 快速过流检测 ：与 ADC1A/1B 并行工作，采用独立数字快速滤波器（固定 OSR=64），响应时间短于 ADC 采样周期（典型 < 15.6µs），适合短路保护场景；
• 阈值与去抖配置 ：高 / 低阈值可编程（16 位，two's complement 格式），支持阈值禁用；去抖计数器（1-128 个滤波周期）可配置，避免噪声误触发；
• 输出接口 ：GPIO3/GPIO4 可复用为 OCCA/OCCB 输出，支持推挽驱动，直接控制外部继电器或报警电路，无需 MCU 干预。

4. 数字接口与控制

• SPI 接口 ：4 线 SPI（CSn、SCLK、SDI、DOUT），支持 24/32 位数据宽度，内置 CCITT/ANSI CRC 校验；DRDYn 引脚指示 ADC1A/1B 数据就绪（可配置由哪路 ADC 驱动），SYNC/RESETn 引脚支持同步或硬件复位。
• GPIO 功能 ：共 9 路 GPIO（GPIO0A/1A/0B/1B 基于 AVDD，GPIO0-4 基于 IOVDD），支持静态输入 / 输出、PWM 输入解码 / 输出；部分 GPIO 可复用为 FAULT、MHD（丢失主机检测）、OCCA/OCCB 输出，增强功能灵活性。
• 丢失主机检测（MHD） ：监测 SPI 通信间隔，若超时（可配置 5120/10240/20480 个 OSCD 周期），GPIO0/MHD 引脚输出故障信号，保障无主机时系统安全。

四、应用设计要点

1. 电源与布局设计

• 供电配置 ：APWR/DPWR 需外接 1μF 低 ESR 电容去耦（靠近引脚），AVDD/IOVDD 外接 0.5-2μF 电容；LDO 输出可对外提供 20mA 电流（如为数字隔离器供电），需注意负载电流不超过限值。
• 隔离与散热 ：PCB 需严格区分模拟地（AGND/AGNDA/AGNDB）与数字地（DGND），单点连接；底部热焊盘（Thermal Pad）必须连接 AGND，降低结温；高压采样电路（如电压分压）与低压控制电路需保持爬电距离（≥8mm），避免高压窜入。

2. 模拟输入设计

• 电流采样 ：分流电阻需靠近 ADC1A/1B 输入引脚，减少引线电阻误差；采用双绞线传输差分信号，串联 RC 抗混叠滤波器（推荐 50Ω+4.7nF，截止频率 < 数据率 1/2）；负电荷泵支持分流器电压低于地 1.3V，无需额外负电源。
• 电压采样 ：高压电池电压通过高精度高压电阻分压（如 2 个 1MΩ/200V 电阻分压 900V 至 450mV），分压电阻需选用低温度系数（<25ppm/°C）型号；ADC2A 序列器配置足够的多路复用延迟（如 256×tMCLK），确保分压信号稳定。
• 温度采样 ：外部 NTC 通过 ADC2A 单端输入测量，需串联限流电阻（如 1kΩ）；内部温度传感器（TSA）适合芯片自身温度监测，测量误差校准后可降至 ±1.5°C，需配置增益 2× 以优化精度。

3. 初始化与校准

• 启动流程 ：上电后先配置时钟源（CLK_SOURCE，默认内部振荡器）、LDO 使能，待 SEC_FAIL 位清零（高侧电源稳定）后，配置 ADC 增益、OSR、序列器；复位后需等待 tREGACQ（44-114μs）或 DRDYn 上升沿，再开始通信。
• 校准配置 ：
  • 偏移校准：ADC1A/1B 通过 OCAL 寄存器（24 位）修正，ADC2A 通过 OCAL2A（16 位）修正；短接输入后采集多组数据，取平均值写入校准寄存器；
  • 增益校准：ADC1A/1B 通过 GCAL 寄存器（16 位）修正，ADC2A 通过 GCAL2A（16 位）修正；输入已知精度的校准信号（如 1.2V / 增益 1×），计算增益系数并写入。