ADS131M04-Q1 技术文档总结

ADS131M04-Q1 是一款四通道、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：ads131m04-q1.pdf

器件中集成了低漂移的 1.2V 基准电压源，从而减少了印刷电路板 （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
• 4 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：
  • 电源斜坡 0.5 ms 内的第一个数据
• 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
• CRC on communications 和 register map
• 模拟和数字电源：2.7 V 至 3.6 V
• 低功耗：3.3 mW（3V AVDD 和 DVDD）
• 封装：20引脚TSSOP

参数

方框图

一、产品核心定位

ADS131M04-Q1 是德州仪器（TI）推出的 汽车级四通道同步采样 24 位 ΔΣ 模数转换器（ADC） ，专为汽车电池管理系统（BMS）、电动汽车充电桩及储能系统设计。其核心优势在于高动态范围、低功耗及多通道同步采集能力，可在 - 40°C 至 + 125°C 的汽车级宽温范围内稳定工作，符合 AEC-Q100 1 级温度标准，且具备功能安全设计支持，适配汽车电子安全关键场景。

二、关键特性

1. 汽车级与功能安全特性

• AEC-Q100 认证 ：温度等级 1（-40°C 至 + 125°C），满足汽车电子严苛的可靠性与环境适应性要求。
• 功能安全支持 ：提供配套文档辅助功能安全系统设计，可用于需满足功能安全标准的汽车电子应用（如 BMS）。

2. 多通道同步采集能力

• 四通道差分输入 ：4 路同步采样差分通道，通道间串扰低至 - 120dB，避免多通道采集时的信号干扰，适配多参数同时监测（如电池电流、电压、温度）。
• 灵活可编程参数 ：
  • 数据速率 ：最高 64 kSPS（高分辨率模式，CLKIN=8.192 MHz），支持低功耗（LP）、极低功耗（VLP）模式，数据速率随模式降低（如 VLP 模式最高 16 kSPS）。
  • 增益调节 ：集成可编程增益放大器（PGA），增益范围 1-128 倍，可放大微弱传感器信号（如电流分流电阻电压）。
  • 相位校准 ：通道间相位延迟校准分辨率达 244 ns（CLKIN=8.192 MHz），可补偿不同传感器的相位差异（如电流互感器与电压分压网络的相位差）。

3. 高精度与低噪声性能

• 动态范围 ：增益 = 1、4 kSPS 时达 102 dB，增益 = 64、4 kSPS 时达 80 dB，总谐波失真（THD）低至 - 100 dB，保证信号采集精度。
• 高输入阻抗 ：增益 = 1/2/4 时输入阻抗 330 kΩ，增益≥8 时≥1 MΩ，可直接连接传感器，无需额外缓冲电路，减少信号衰减。
• 低漂移参考电压 ：集成 1.2 V 内部参考电压，温度漂移低至 7.5-20 ppm/°C，避免外部参考电路引入的误差，简化 PCB 设计。

4. 灵活的输入与电源设计

• 宽输入范围 ：集成负电荷泵，支持输入信号低于地电位（最低 AGND-1.3 V），适配单电源下的双极性信号测量（如电池充放电电流）。
• 电源兼容性 ：模拟电源（AVDD）与数字电源（DVDD）均支持 2.7-3.6 V，高分辨率模式下总功耗仅 3.3 mW（3 V 供电），适配汽车低功耗场景。

5. 通信与可靠性保障

• SPI 接口 ：SPI 兼容接口（支持 16/24/32 位数据宽度），配备 DRDY（数据就绪）、SYNC/RESET（同步 / 复位）引脚，方便多器件同步与数据交互。
• CRC 校验 ：支持通信数据（输入 / 输出）与寄存器映射的 16 位 CRC 校验（CCITT/ANSI 两种多项式），防止数据传输错误，提升通信可靠性。

三、典型应用场景

1. 汽车电池管理系统（BMS） ：
   • 低侧电流分流电阻测量（双向电池充放电电流）。
   • 高压电池包电压测量（通过外部电阻分压）。
   • 温度传感器（热敏电阻、模拟输出温度传感器）信号采集。
2. 电动汽车（EV）充电桩 ：直流 / 交流电能计量（e-metering）。
3. 储能系统（ESS） ：多通道电流、电压监测与电能计量。

四、器件信息与订购参数

1. 基础器件信息

型号	封装类型	主体尺寸（标称）	引脚数
ADS131M04-Q1	TSSOP（20 引脚）	6.50 mm × 4.40 mm	20

2. 订购选项详情

可订购器件	状态	封装类型	每卷数量（SPQ）	环保标准	引脚镀层	湿度敏感等级（MSL）	工作温度（°C）	器件标识
ADS131M04QPWRQ1	现役（Active）	TSSOP（PW）	2000	RoHS 合规	NIPDAU	3 级 - 260°C-168 小时	-40 至 125	A131M04Q
ADS131M04QPWRQ1.A	现役（Active）	TSSOP（PW）	2000	RoHS 合规	NIPDAU	3 级 - 260°C-168 小时	-40 至 125	A131M04Q

五、电气与 Thermal 特性（关键参数）

1. 绝对最大额定值（部分核心参数）

参数	最小值	最大值	单位
模拟电源（AVDD-AGND）	-0.3	3.9	V
数字电源（DVDD-DGND）	-0.3	3.9	V
模拟输入电压（AINxP/AINxN）	AGND-1.6	AVDD+0.3	V
结温（TJ）	-	150	°C
存储温度（Tstg）	-60	150	°C

2. 推荐工作条件

参数	最小值	典型值	最大值	单位
模拟电源（AVDD-AGND）	2.7	3.0	3.6	V
数字电源（DVDD-DGND）	2.7	3.0	3.6	V
外部时钟频率（CLKIN，高分辨率模式）	0.3	8.192	8.4	MHz
工作环境温度（TA）	-40	-	125	°C

3. Thermal 特性（TSSOP 封装）

热指标	数值	单位
结到环境热阻（RθJA）	94.9	°C/W
结到顶部外壳热阻（RθJC (top)）	34.9	°C/W
结到电路板热阻（RθJB）	46.4	°C/W

六、功能模式与关键模块

1. 核心功能模式

• 连续转换模式 ：ADC 以固定数据率（fMOD/OSR）持续生成数据，适配交流信号测量（如动态电流），新数据由 DRDY 引脚下降沿指示。
• 全局斩波模式（Global-Chop） ：周期性交换输入极性，降低器件固有偏移误差与漂移，适配高精度直流信号测量（如静态电流、电压），但会增加转换时间。
• 低功耗模式 ：支持高分辨率（HR）、低功耗（LP）、极低功耗（VLP）三种模式，通过调整时钟频率与偏置电流平衡性能与功耗。
• 待机模式 ：关闭非必要电路（参考电压、ADC 通道），仅保留寄存器配置，功耗低至 0.3 μA，适配休眠场景。
• 电流检测模式 ：低功耗下采集指定数量样本，与阈值比较实现过流 / 短路检测，触发后通过 DRDY 通知主机并返回待机模式。

2. 关键模块解析

• ΔΣ 调制器 ：过采样频率 fMOD=CLKIN/2，通过噪声整形将量化噪声推至高频，提升有效分辨率。
• 数字滤波器 ：采用 sinc3+sinc1 结构，支持 8 种过采样率（OSR=64-16384），可配置滤波带宽与 settling 时间，适配不同精度需求。
• 校准寄存器 ：每通道独立的偏移（OCAL）与增益（GCAL）校准寄存器，24 位校准系数，自动补偿系统误差，寄存器默认值无校准效果（OCAL=0，GCAL=1）。
• DC 阻断滤波器 ：可选高通滤波器，消除直流偏移与低频噪声，cutoff 频率可通过寄存器配置（最低 9.7 mHz），支持通道独立使能。