ADS131B23 技术文档总结

该ADS131B23是一款用于工业电池管理系统 （BMS） 的完全集成的高压电池组监视器。

该ADS131B23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.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。

该ADS131B23采用48引脚HTQFP封装，额定汽车温度范围为–40°C至+105°C。

特性

• 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

一、产品概述

ADS131B23 专为工业 BMS 设计，集成多通道 ADC 与丰富监控功能，可实现电池电流、电压、温度的一体化监测，核心定位是简化高压电池组监测电路设计，提升系统安全性与集成度。

1. 核心功能定位

• 多参数采集 ：通过双 24 位电流采样 ADC、16 位电压 / 温度采样 ADC，覆盖电池组关键监测需求；
• 安全防护 ：内置过流比较器、多维度故障监测（电源 / 时钟 / 数字信号），满足功能安全设计需求；
• 高集成度 ：集成线性稳压器、GPIO（支持 PWM）、SPI 接口，减少外部元器件数量，简化 PCB 布局。

2. 基础参数

类别	关键指标	说明
封装规格	48 引脚 HTQFP（PHP 封装）	尺寸 9mm×9mm，底部需接 AGND 散热
工作温度	-40°C~+105°C	满足工业 / 汽车级温度需求
供电范围	模拟电源（APWR）：2.9V~16V	支持宽压输入，适配不稳定电源
	数字电源（DPWR）：2.9V~16V
接口	SPI 兼容接口	支持 24/32 位数据字长，带 CRC 校验

二、核心特性

1. 多通道 ADC 采集系统

（1）双 24 位电流采样 ADC（ADC1A/ADC1B）

专为分流电阻电流测量设计，支持冗余采集，提升数据可靠性：

• 性能参数 ：
  • 分辨率：12 位；
  • 满量程范围（FSR）：±39mV~±312.5mV（可编程增益 4/8/16/32），适配不同阻值分流电阻；
  • 精度指标：失调误差最大 ±1.5μV，增益漂移最大 20ppm/°C，确保全温域测量精准；
  • 数据率：500SPS~64kSPS，可根据监测需求灵活配置。
• 核心功能 ：
  • 实时电流监测：ADC 可间接监测输出电流稳定性，配合可编程报警功能反馈过流 / 欠流；
  • 全局斩波模式（Global-Chop）：开启后可将失调误差与漂移进一步降低，提升小电流测量精度；
  • 开路检测：集成 4μA/40μA/240μA 可编程电流源 / 灌，检测分流电阻引脚开路故障。

（2）16 位电压 / 温度采样 ADC（ADC2A）

8 路模拟输入，支持多参数复用采集：

• 性能参数 ：
  • 分辨率：16 位；
  • 满量程范围（FSR）：±312.5mV~±1.25V（可编程增益 1/2/4）；
  • 输入灵活性：支持单端 / 伪差分输入，适配热敏电阻（温度）、外部电阻分压（电压）等信号。
• 核心功能 ：
  • 通道序列器：自动遍历配置的多路输入，减少 SPI 通信开销；
  • 电源电压回读：可采集 APWR/DPWR/AVDD 等电源电压，监测供电稳定性；
  • 内部温度传感器：集成片内温度传感器（TSA），输出电压与温度呈线性关系（25°C 时 118.4mV，温度系数 410μV/°C）。

2. 过流保护与故障监测

（1）数字过流比较器（OCCA/OCCB）

与 ADC1A/ADC1B 并行工作，提供快速过流响应：

• 响应速度 ：采用固定 OSR=64 的 sinc3 滤波器，响应时间最短 < 1μs（视输入超调量）；
• 阈值配置 ：支持可编程高 / 低阈值（16 位），可设置触发次数（1~128 次），避免误触发；
• 输出指示 ：可通过 GPIO3/OCCA、GPIO4/OCCB 引脚直接输出过流信号，无需 SPI 通信。

（2）全方位故障监测

覆盖电源、时钟、数字信号等多维度，保障系统可靠性：

• 电源监测 ：监测 AVDD/IOVDD/DVDD 的过压 / 欠压、振荡、过温（LDO 温度）、电流限制，AGND/DGND 引脚开路检测；
• 时钟监测 ：主时钟（MCLK）与诊断振荡器（OSCD）频率监控，时钟看门狗（超时阈值可编程）；
• 数字监测 ：寄存器 / 内存映射 CRC 校验、GPIO 读写回环检测、SPI 通信 CRC / 超时 / SCLK 计数故障。

3. 灵活的数字接口与 GPIO

（1）SPI 接口

• 通信安全 ：支持 16 位 CCITT/ANSI CRC 校验，防止数据传输错误；
• 配置灵活 ：数据字长可设 24/32 位，支持寄存器读写、命令响应（如 LOCK/UNLOCK）；
• 超时保护 ：SPI 超时监测（超时时间可编程），避免通信异常导致系统卡死。

（2）GPIO 功能

• 数量与功能 ：共 9 路 GPIO（4 路参考 AVDD，5 路参考 IOVDD），支持输入 / 输出、PWM 生成 / 解码；
• 特殊功能复用 ：GPIO0 可配置为 “丢失主机检测（MHD）” 输出，GPIO2 可配置为 “故障（FAULT）” 输出，GPIO3/4 可配置为过流比较器输出；
• PWM 能力 ：支持静态电平 / PWM 输出，PWM 周期与占空比可编程（时间基准 16×tMCLK~1024×tMCLK）。

4. 电源管理与可靠性

• 内置稳压器 ：集成 AVDD（3.3V）、IOVDD（3.3V）、DVDD（1.6V）线性稳压器，输入电压最高 16V，输出电流最大 20mA，支持外部电路供电；
• ESD 防护 ：人体放电模型（HBM）±2000V，带电器件模型（CDM）±500V，符合工业级标准；
• 低功耗设计 ：休眠模式电流典型值 0.46mA，掉电模式电流≤0.01mA，适配低功耗场景。

三、功能架构与典型应用

1. 核心架构

采用 “模拟采集 - 数字处理 - 故障监控” 三层架构，模块协同保障功能实现：

• 模拟采集层 ：ADC1A/ADC1B 采集电流，ADC2A 采集电压 / 温度，内置 1.25V 高精度基准源（温漂最大 15ppm/°C）；
• 数字处理层 ：含 SPI 接口解析、时序控制器、PWM 生成器，负责指令接收、数据格式化、GPIO 控制；
• 故障监控层 ：电源 / 时钟 / 数字信号监测模块实时检测异常，通过 FAULT 引脚或中断输出报警，支持故障诊断注入测试。

2. 典型应用场景

（1）电池储能系统（ESS）

• 电流监测 ：2 路 ADC1A/ADC1B 冗余采集分流电阻电流，过流比较器快速响应短路故障；
• 电压监测 ：ADC2A 通过外部电阻分压采集电池组总电压，8 路输入可覆盖多节电池电压采样；
• 温度监测 ：ADC2A 接入热敏电阻，监测电池与分流电阻温度，避免过热风险。

（2）工业 BMS 高压测量单元（HMU）

• 高集成设计 ：单芯片实现电流 / 电压 / 温度采集，减少外部运放、ADC、比较器等器件，缩小 PCB 面积；
• 功能安全 ：多维度故障监测与诊断功能，满足 ISO 26262 等功能安全标准需求；
• 通信稳定 ：SPI 带 CRC 校验，支持 “丢失主机检测”，确保与 MCU 通信可靠性。

四、电气特性与设计建议

1. 关键电气特性（典型值，TA=25°C，APWR=5V，DPWR=5V）

参数类别	指标	测试条件
ADC1y（电流）	输入失调误差	全局斩波开启，增益 = 8	±0.5μV
	噪声（输入参考）	增益 = 8，数据率 = 1kSPS	0.65μV RMS
	共模抑制比（CMRR）	DC，全局斩波开启	113dB
ADC2y（电压）	输入失调误差	增益 = 4	±5μV
	增益漂移	全温域	20ppm/°C
过流比较器	失调误差	增益 = 4	±20μV
电源消耗	模拟电源电流（APWR）	所有 ADC 使能	4.8mA
	数字电源电流（DPWR）	所有 ADC 使能	1.0mA

2. 设计建议

（1）电源与基准设计

• 去耦电容 ：APWR/DPWR 引脚就近并 1μF 钽电容 + 0.1μF 陶瓷电容，RCAPA/RCAPB（基准输出）并 1μF 陶瓷电容；
• 电源隔离 ：模拟地（AGND）与数字地（DGND）单点连接，避免地弹噪声影响 ADC 精度；
• 基准保护 ：内部基准（REFA/REFB）输出电流最大 250μA，外部负载需控制在额定范围内。

（2）模拟布局

• 电流采样路径 ：ADC1A/ADC1B 的 CPA/CNA、CPB/CNB 引脚远离数字信号线，布线对称，减少寄生电感；
• 电压采样隔离 ：ADC2A 的模拟输入（V0A~V7A）与高压电路隔离，避免串扰；
• 散热设计 ：封装底部热焊盘需接 AGND，并通过 PCB 铜皮增强散热，结到环境热阻（RθJA）约 23.7°C/W。

（3）SPI 通信与 GPIO 配置

• SPI 时序 ：SCLK 频率建议≤10MHz，确保 CSn、SDI/SDO 时序满足建立 / 保持时间要求（如 SDI 建立时间≥5ns）；
• GPIO 功能复用 ：根据需求配置特殊功能（如 FAULT/MHD/OCC），避免引脚功能冲突；
• 故障处理 ：建议使能关键故障监测（如电源过压、过流），并配置 FAULT 引脚中断，确保系统快速响应。