ADS131B26-Q1 汽车级高压电池组监测器技术总结

ADS131B26-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）。
*附件：ads131b26-q1.pdf

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
• 两个同步采样的 24 位 ADC（ADC3A、ADC3B）用于电压测量：
  • 可编程数据速率：500SPS至64kSPS
  • 可编程满量程范围：±312.5mV 至 ±1.25V
• 两个用于电压和温度测量的多路复用 16 位 ADC（ADC2A、ADC2B）：
  • 每个ADC8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

ADS131B26-Q1 是德州仪器（Texas Instruments）推出的 汽车级高压电池组监测器 ，专为电动汽车（EV）电池管理系统（BMS）设计，集成 6 路 ADC 通道，可实现电池电流、电压与温度的高精度同步监测。其核心优势在于符合功能安全标准、具备高测量精度与冗余设计，能满足汽车行业对可靠性、安全性的严苛要求，适用于高压电池组的状态监测与保护场景。以下从核心特性、性能参数、功能模块、应用设计及订购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 ：共 6 路 ADC，分为三类功能通道，满足 BMS 多维度监测需求：
  • 电流监测 ADC（ADC1A/ADC1B） ：24 位分辨率，同步采样，可编程增益（4/8/16/32 倍），满量程范围 ±39mV 至 ±312.5mV，适配外部分流电阻实现高精度电流测量；每通道集成独立数字过流比较器，支持快速过流检测。
  • 电压监测 ADC（ADC3A/ADC3B） ：24 位分辨率，同步采样，可编程增益（1/2/4 倍），满量程范围 ±312.5mV 至 ±1.25V，配合外部高压分压网络实现电池组电压同步采集。
  • 温度与辅助电压 ADC（ADC2A/ADC2B） ：16 位分辨率，多路复用（每通道 8 路模拟输入），可编程增益（1/2/4 倍），满量程范围 ±312.5mV 至 ±1.25V，可测量分流电阻温度（通过热敏电阻）及系统辅助电压。
• 功能安全合规 ：符合 AEC-Q100 车规认证（温度等级 1：-40°C 至 125°C），支持 ISO 26262 功能安全系统设计，系统性能力与硬件能力均达 ASIL D 级别，集成丰富监测与诊断功能以检测随机硬件故障。
• 供电与接口 ：供电电压范围 2.9V 至 16V，适配非稳压 DC/DC 转换器；支持 SPI 兼容接口，9 路带 PWM 功能的 GPIO，可实现外部报警、继电器控制等扩展功能；集成隔离 DC/DC 转换器，保障高低侧信号隔离与供电稳定。
• 冗余与可靠性设计 ：关键通道（电流、电压）采用双 ADC 同步采样冗余架构；内置高精度电压基准（REFA/REFB，1.25V，温度漂移低至 3ppm/°C）、负电荷泵（NCPA/NCPB），支持信号低于地电位测量；ESD 防护达人体放电模型（HBM）±1000V、带电器件模型（CDM）±500V。
• 封装与环境适应性 ：采用 48 引脚 HTQFP（PHP 封装），尺寸 9mm×9mm，底部热焊盘优化散热；工作温度范围 - 40°C 至 105°C，结温最高 150°C，满足汽车恶劣工况需求。

2. 同系列型号差异

ADS131B26-Q1 属于 ADS131B2x-Q1 系列，系列内型号差异主要体现在 ADC 通道数量，具体如下表：

型号	ADC1A/ADC1B（电流）	ADC2A（温度 / 电压）	ADC2B（温度 / 电压）	ADC3A/ADC3B（电压）
ADS131B23-Q1	支持	支持	不支持	不支持
ADS131B24-Q1	支持	支持	支持	不支持
ADS131B26-Q1	支持	支持	支持	支持

二、关键性能指标

1. 核心电气性能（典型值，TA=25°C，APWR=5V，DPWR=5V，IOVDD=3.3V，fCLK=8.192MHz）

性能参数	测试条件（以 ADC1A/ADC1B 为例）	最小值	典型值	最大值	单位
电流监测 ADC（ADC1y）
分辨率	-	-	24	-	Bits
偏移误差（输入参考）	增益 = 8，全局斩波使能	-1.5	±0.5	1.5	μV
增益漂移	全局斩波使能	-	1	7	nV/°C
噪声（输入参考）	增益 = 8，数据率 = 1kSPS	-	0.65	-	μV RMS
共模抑制比（CMRR）	DC，全局斩波使能	-	113	-	dB
电源抑制比（PSRR）	APWR，DC	-	133	-	dB
电压监测 ADC（ADC3y）
分辨率	-	-	24	-	Bits
偏移误差（输入参考）	全局斩波使能	-10	±3	10	μV
增益漂移	全局斩波使能	-	4	15	nV/°C
噪声（输入参考）	增益 = 4，数据率 = 1kSPS	-	3	-	μV RMS
温度 / 辅助电压 ADC（ADC2y）
分辨率	-	-	16	-	Bits
偏移误差（输入参考）	增益 = 4	-25	±5	25	μV
增益漂移	增益 = 2/4	-	30	150	nV/°C
电压基准（REFA/REFB）
基准电压	-	-	1.25	-	V
温度漂移	-	-	3	15	ppm/°C
过流比较器（OCCA/OCCB）
偏移误差（输入参考）	所有增益	-500	±20	500	μV
增益误差	含基准误差	-0.5%	±0.2%	0.5%	-

三、核心功能模块

1. 模拟前端与 ADC 采样机制

（1）电流监测 ADC（ADC1A/ADC1B）

• 输入多路复用与 PGA ：支持差分信号（CPy/CNy）、反向差分信号、内部短路至 AGNDy（自校准）、另一通道测试 DAC 信号输入；PGA 增益 4/8/16/32 倍可调，通过负电荷泵（NCPy）支持输入信号低于地电位测量，适配低压侧分流电阻的双向电流监测。
• 数字滤波与采样模式 ：采用二阶 ΔΣ 调制器与 sinc3 数字滤波器，过采样率（OSR）64-8192 可编程，数据率 500SPS-64kSPS；支持连续采样与单次采样模式，全局斩波模式（GC13y_EN=1b）可大幅降低偏移误差与漂移，噪声改善√2 倍。
• 过流检测 ：每通道集成数字过流比较器，通过 OCCy_HIGH_TH/LOW_TH 寄存器设置阈值，OCCy_NUM 配置连续超阈值次数（0-31 次），触发后通过 OCCA/OCCB 引脚或 STATUS 寄存器快速输出故障信号，响应时间最快 < 15.6μs（大过冲场景）。

（2）电压监测 ADC（ADC3A/ADC3B）

• 架构与校准 ：复用 ADC1y 的 ΔΣ 调制器与数字滤波架构，PGA 增益 1/2/4 倍可调，支持伪差分测量（V7y 接 VCMA/VCB 共模电压）；支持偏移与增益校准，校准系数存储于外部非易失性存储器，上电后加载以保障精度。
• 同步采样 ：与 ADC1y（电流）同步采样，确保电压与电流信号相位一致，提升电池充放电功率计算精度，适配电池状态 - of-charge（SoC）与状态 - of-health（SoH）计算需求。

（3）温度与辅助电压 ADC（ADC2A/ADC2B）

• 多路复用与序列器 ：每通道 8 路模拟输入（V0y-V7y），支持单端（AGNDy 为负端）、伪差分（V7y 为负端）测量；集成通道序列器，可配置 16 个序列步骤（SEQ2y_STEPn），自动循环采集指定通道，减少 SPI 通信开销。
• 温度测量 ：支持内部温度传感器（TSA/TSB，输出电压 118.4mV@25°C，温度系数 410μV/°C）与外部热敏电阻输入，通过 ADC2y 采集后换算温度，公式为：Die****temperatu re ( ° C ) = 25 +(VTS​**−118.4mV**)/410μ V /° C 。

2. 功能安全与诊断

（1）监测与故障检测

• 电源监测 ：监测 AVDD/IOVDD/DVDD 的过压（OV）、欠压（UV）、振荡（OSC）与过温（OTW），AGND/DGND 引脚断开检测；AVDD/IOVDD LDO 集成电流限制，故障时通过 FAULT 引脚或 STATUS 寄存器输出告警。
• 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）频率监测，时钟看门狗（MCLK_WD/OSCD_WD）检测时钟丢失，频率偏差超 10% 时触发故障。
• 数字监测 ：寄存器映射（分 3 个区段）与存储器映射 CRC 校验，检测配置数据与内部存储数据错误；GPIO 读写回测（GPIOA/B_DIAG_EN），验证 GPIO 输出与输入路径完整性。

（2）冗余与校准

• 双区架构 ：器件分为 A/B 两区，每区独立 ADC、基准、温度传感器与电源，关键信号跨区交叉检测（如 Test DAC A 输出至 ADCxB 测量），提升冗余度。
• 校准机制 ：支持 Foreground 校准，通过短接 ADC 输入或注入精密测试信号，自动计算偏移与增益校准系数；校准结果随温度动态调整，保障宽温范围内精度稳定。

3. 数字接口与控制

（1）SPI 通信

• 接口配置 ：4 线 SPI（CSn、SCLK、SDI、SDO），支持 24/32 位数据宽度，输入（RX_CRC）与输出（强制使能）CRC 校验，检测通信错误；SPI 超时功能（TIMEOUT_EN=1b）防止 CSn 永久拉低导致通信挂死，超时周期 16385 个 OSCD 周期。
• 数据传输 ：ADC1y/ADC3y 的 24 位转换数据通过 SPI 帧自动输出，ADC2y 的 16 位数据存储于 SEQ2y_STEPn_DATA 寄存器，通过 RREG 命令读取；STATUS 字（含故障标志、命令响应、计数器）作为每帧首字输出，实时反馈器件状态。

（2）GPIO 与 PWM 功能

• 通用 GPIO ：9 路 GPIO（GPIO0-GPIO4、GPIO0A/GPIO1A、GPIO0B/GPIO1B），GPIO0-GPIO4 逻辑电平基于 IOVDD，GPIOxy 基于 AVDD；支持推挽输出（最大 8mA 负载），可配置为 FAULT（故障输出）、MHD（丢失主机检测）、OCCA/OCCB（过流输出）。
• PWM 功能 ：GPIO0-GPIO4 支持 PWM 输入解码与输出生成，PWM 周期与占空比通过 GPIOx_LL/LH_PWM_CFG 寄存器配置，时间基准（16/64/256/1024×tMCLK）可调，适配外部设备控制（如风扇、继电器）。

四、应用设计要点

1. 电源与布局设计

• 供电配置 ：
  • 模拟供电（APWR/AVDD）：APWR 外接 1μF 去耦电容（靠近引脚，X7R 材质），AVDD 外接 0.5-2μF 电容；RCAPA/RCAPB（基准输出）外接 1μF 电容至 AGNDA/AGNDB，保障基准稳定。
  • 数字供电（DPWR/IOVDD）：DPWR 外接 1μF 去耦电容，IOVDD 外接 0.5-2μF 电容；DCAP（DVDD LDO 输出）外接 220nF 电容至 DGND，降低数字噪声。
• 隔离与接地 ：
  • 严格区分模拟地（AGND/AGNDA/AGNDB）与数字地（DGND），单点连接（建议 PCB 地层单点互联），避免地环流；高压分压网络与低压控制电路（SPI）间距≥8mm，满足爬电距离要求。
  • 分流电阻至 ADC1y 输入（CPy/CNy）采用对称布线，长度差≤0.5mm，降低寄生电感导致的相位差；模拟信号迹线短而粗（宽度≥0.2mm），数字迹线远离 ADC 输入，减少串扰。

2. 模拟输入设计

• 电流采样 ：
  • 分流电阻选择：根据最大电流（如 100A）与 ADC1y 满量程（增益 = 32 时 ±39mV）计算，推荐 200μΩ/2W 型号（电压降 ±20mV），温度系数 < 25ppm/°C，避免温度漂移影响精度。
  • 抗混叠滤波：分流电阻与 ADC1y 输入间串联 RC 滤波器（推荐 50Ω+4.7nF，截止频率 < 数据率 1/2），差分信号采用双绞线传输，减少噪声耦合。
• 电压采样 ：
  • 分压网络：高压电池组电压（如 400V）通过 2 个 1MΩ/200V 高精度电阻（±0.1%，温度系数 < 10ppm/°C）分压，输出电压匹配 ADC3y 满量程（如增益 = 4 时 ±312.5mV）；分压节点串联 1kΩ+10nF RC 滤波，抑制高频噪声。
  • 共模电压配置：ADC3y 采用伪差分模式，V7y 接 VCMA/VCB（0.78V），提升共模抑制比，适配高压单端信号转换。
• 温度采样 ：
  • 外部热敏电阻：串联 1kΩ 限流电阻，热敏电阻两端电压通过 ADC2y 单端测量，利用分压比计算电阻值，再通过热敏电阻特性曲线（如 NTC 的 β 值）换算温度。
  • 内部传感器：ADC2y 序列步骤配置为 TSA/TSB 输入，增益 = 2，提升测量分辨率，适配器件自身温度监测与过热保护。