ADS131M03-Q1 技术文档总结

ADS131M03-Q1 是一款三通道、同步采样、24 位、三角积分 （ΔΣ） 模数转换器 （ADC），提供宽动态范围和低功耗，使该器件专为汽车电池管理系统 （BMS） 而设计。ADC输入可直接连接至分流电阻器，用于双向电池电流测量，可直接连接至电阻分压器网络，用于高压测量，或与温度传感器（如热敏电阻或模拟输出温度传感器）连接。

可以根据传感器输入独立配置各个ADC通道。低噪声、可编程增益放大器 （PGA） 提供 1 至 128 的增益范围，以放大低电平信号。此外，该器件还集成了通道间相位校准以及失调和增益校准寄存器，以帮助消除信号链误差。
*附件：ads131m03-q1.pdf

器件中集成了低漂移的 1.2V 基准电压源，可减少印刷电路板 （PCB） 面积。数据输入、数据输出和寄存器映射上的可选循环冗余校验 （CRC） 可保持通信完整性。

完整的模拟前端 （AFE） 采用 20 引脚 TSSOP 封装，额定温度范围为 –40°C 至 +125°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，T一个
• 功能安全功能
  • 可用于帮助功能安全系统设计的文档
• 3 个同时采样差分输入
• 可编程数据速率高达 64 kSPS
• 可编程增益高达 128
• 噪音表现：
  • 增益 = 1， 4 kSPS 时的 102 dB 动态范围
  • 增益 = 64、4 kSPS 时的 80 dB 动态范围
• 总谐波失真：–100 dB
• 用于直接传感器连接的高阻抗输入：
  • 330kΩ输入阻抗，增益为1、2和4
  • ≥ 1MΩ输入阻抗，增益为8、16、32、64和128
• 可编程通道间相位延迟校准：
  • 分辨率 = 244 ns，f 克金 = 8.192兆赫
• 快速启动：在电源斜坡后 0.5 毫秒内获得第一个数据
• 集成负电荷泵允许输入信号低于地
• 通道间串扰：–120 dB
• 低漂移内部基准电压源
• 通信和寄存器映射上的循环冗余校验 （CRC）
• 模拟和数字电源：2.7 V 至 3.6 V
• 低功耗：3.6 mW（3V AVDD 和 DVDD）
• 封装：20引脚TSSOP

参数

方框图

一、产品定位与核心属性

ADS131M03-Q1 是德州仪器推出的 车规级三通道同步采样模数转换器（ADC） ，符合 AEC-Q100 1 级标准（工作温度 - 40°C 至 + 125°C），专为汽车电池管理系统（BMS）、充电桩、储能系统等高精度信号采集场景设计。其核心优势在于 24 位高分辨率、低噪声（102 dB 动态范围 @增益 1、4 kSPS）与灵活的功率控制，支持最高 64 kSPS 采样率，采用 20 引脚 TSSOP（6.5mm×4.4mm）封装，可直接连接分流电阻、电阻分压网络或温度传感器，实现电池电流、电压、温度的同步监测，同时具备功能安全设计文档，适配汽车电子安全关键场景。

二、关键性能参数

1. 精度与线性度

• 分辨率与完整性 ：24 位无缺失码，支持 16/24/32 位输出格式（32 位可选零填充或符号扩展），适配不同后端处理需求。
• 线性误差 ：积分非线性（INL）典型值 ±6 ppm FSR，偏移误差（输入基准）全局斩波模式下通道 0±35 μV、通道 1-2±15 μV，偏移漂移 200 nV/°C，温漂特性优异，宽温环境下精度稳定。
• 增益特性 ：增益范围 1-128 可编程，增益误差 ±0.1% FSR，增益漂移（含内部基准）8.5 ppm/°C，1000 小时 85°C 老化测试增益误差变化≤400 ppm，长期稳定性强。

2. 动态性能（典型值，AVDD=3V，f_CLKIN=8.192 MHz，增益 1）

• 信噪比（SNR） ：50/60 Hz 输入、-0.5 dBFS 时 100 dB，增益 64 时 79 dB，低噪声特性保障微弱信号（如分流电阻电压）采集精度。
• 无杂散动态范围（SFDR） ：50/60 Hz 输入时 105 dBc，有效抑制电源噪声与外部干扰，适配汽车电子复杂电磁环境。
• 总谐波失真（THD） ：-100 dB（50/60 Hz 输入，含 50 次谐波），低失真特性减少信号非线性误差。
• 噪声谱密度（NSD） ：输入基准噪声 5.35 μVrms（4 kSPS），快速启动时 1.5 mVRMS，为微小电流（如 55 mA@35 μΩ 分流电阻）检测提供基础。
• 共模抑制比（CMRR） ：直流时 100 dB，50/60 Hz 时 94 dB，电源抑制比（PSRR）AVDD 直流 75 dB、DVDD 直流 88 dB，抗共模干扰与电源噪声能力强。

3. 功耗与接口特性

• 功耗控制 ：支持高分辨率（HR）、低功耗（LP）、极低功耗（VLP）三种模式，HR 模式（8.192 MHz 时钟）功耗 3.6 mW（3V 供电），VLP 模式（2.048 MHz 时钟）降至 2.7 mW，适配电池供电场景的低功耗需求。
• 输入特性 ：增益 1/2/4 时输入阻抗 330 kΩ，增益 8-128 时≥1 MΩ，支持直接连接高阻抗传感器；集成负压电荷泵，允许输入信号低于地电位 1.3 V，适配双向电流（充电 / 放电）测量。
• 采样与延迟 ：三通道同步采样，最高 64 kSPS 采样率，数字滤波器（sinc3） settling 时间随过采样率（OSR）变化（如 OSR=64 时 728 个 CLKIN 周期），最快 0.5 ms 启动（电源 ramp 至首条有效数据）。

三、硬件设计关键信息

1. 引脚功能与配置

• 模拟输入 ：三对差分输入（AIN0P/AIN0N、AIN1P/AIN1N、AIN2P/AIN2N），共模电压由内部生成，支持 AC/DC 耦合，满量程输入范围 ±1.2 V/Gain（如增益 8 时 ±150 mV）。
• 电源引脚 ：AVDD（引脚 1，模拟 3.3V）、DVDD（引脚 20，数字 3.3V），需独立供电避免数字噪声耦合；AGND（引脚 2）、DGND（引脚 19）单点连接，降低接地噪声；CAP 引脚（引脚 18）为内部 LDO 输出，需外接 220 nF 电容至 DGND。
• 控制与通信引脚 ：
  • SPI 接口：CS（引脚 12，片选低有效）、SCLK（引脚 14，时钟）、DIN（引脚 16，数据输入）、DOUT（引脚 15，数据输出），支持 20 MHz 最高时钟，16 位 CRC 校验（输入可选、输出强制）。
  • 同步 / 复位：SYNC/RESET（引脚 11，低有效，可配置同步或硬件复位）、DRDY（引脚 13，数据就绪低有效，支持推挽 / 开漏输出）。

2. 时钟与电源设计

• 时钟输入 ：CLKIN 引脚（引脚 17）支持 0.3-8.4 MHz LVCMOS 时钟，HR 模式推荐 8.192 MHz、LP 模式 4.096 MHz、VLP 模式 2.048 MHz，占空比 40%-60%，高摆率时钟可降低孔径抖动（典型值未明确，需搭配低抖动晶振）。
• 电源方案 ：AVDD 与 DVDD 推荐 “开关电源 + LDO” 组合（如 TPS62821+TPS7A4701），各电源引脚就近放置 1 μF 陶瓷旁路电容，CAP 引脚需 220 nF 滤波电容，避免 LDO 噪声影响模拟电路。

3. 数字接口与数据处理

• SPI 通信 ：支持 16/24/32 位字长，全双工模式，帧超时保护（32768 个 CLKIN 周期），保障通信稳定性；输入 CRC（CCITT/ANSI 可选）检测错误，寄存器映射 CRC 实时监控配置完整性，适配功能安全需求。
• 数据格式 ：二进制补码（默认）或偏移二进制，DRDY 信号支持电平（低有效）或脉冲模式，可通过 DRDY_SEL 配置触发源（滞后通道 / 所有通道 / 超前通道），适配多通道同步数据读取。

四、功能模块与配置

1. 模拟前端优化

• 可编程增益放大器（PGA） ：每通道独立配置增益 1-128，增益 8 及以上时启用输入预充电缓冲，提升输入阻抗至≥1 MΩ，适配高阻抗传感器（如热敏电阻）直接连接；增益 1-4 时输入阻抗 330 kΩ，需注意驱动电路输出阻抗匹配（推荐≤1 kΩ）。
• 全局斩波模式（Global-Chop） ：通过寄存器 GC_EN 启用，周期性交换输入极性，抵消内部电路偏移误差，偏移噪声降低√2 倍，适合直流或低频信号（如电池电压）高精度测量，但会增加转换延迟（首帧转换周期≈3×OSR×t_MOD+44×t_MOD）。
• 直流阻断滤波器（DC Block） ：每通道独立使能，截止频率通过 DCBLOCK [3:0] 配置（如 1/64 时 10 Hz@4 kSPS），可消除系统偏移或低频噪声，适配交流信号（如纹波电流）采集。

2. 数字功能配置

• 过采样与滤波 ：支持 OSR 64-16384 可调，数字滤波器为 sinc3 结构，OSR=1024 时 - 3 dB 带宽≈2 kHz（4 kSPS），同时具备快速建立滤波器（上电 / 复位后前两帧），平衡速度与噪声性能。
• 通道相位校准 ：每通道 10 位相位偏移调节（分辨率 244 ns@8.192 MHz），范围 - OSR/2 至 OSR/2-1（OSR>1024 时限制 - 512 至 511），可补偿不同传感器（如电压 divider 与电流分流器）的相位差，提升功率计算精度。
• 校准寄存器 ：每通道含 24 位偏移（OCAL）与增益（GCAL）校准寄存器，偏移校准通过减去 OCAL 值实现，增益校准通过乘以 GCAL 因子（范围 0-2）实现，校准系数需存储于外部非易失性存储器，上电后重新配置。

3. 低功耗与安全模式

• 功耗模式 ：HR 模式（2.7 mA AVDD 电流）、LP 模式（1.5 mA）、VLP 模式（0.8 mA），可通过 CLOCK 寄存器 PWR [1:0] 切换，适配不同采样率与功耗需求；待机模式（STANDBY 命令）功耗降至 0.3 μA，仅保留寄存器配置。
• 电流检测模式 ：待机模式下触发，内部振荡器采样（无需外部时钟），比较采样值与阈值（CD_THRSH [23:0]），超过阈值次数达标后通过 DRDY 通知主机，适配电池篡改检测等低功耗监控场景。