深入解析MAX11080/MAX11081：12通道高压电池组故障监测器

在当今的电子设备中，电池的安全性和可靠性至关重要。尤其是在高电压、多电池串联的系统中，如电动汽车、混合动力汽车、电动自行车以及高功率电池备用系统等，对电池组的故障监测显得尤为关键。MAXIM公司的MAX11080/MAX11081 12通道高压电池组故障监测器，就是为满足这一需求而设计的高性能集成电路。

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一、产品概述

MAX11080/MAX11081是能够监测多达12个锂离子（Li+）电池单元的电池组故障监测IC。当任何一个电池单元的电压超过用户可选择的阈值，并且持续时间超过设定的程序延迟间隔时，该设备会提供过压或欠压故障指示。其过压水平可通过引脚从+3.3V到+4.8V以100mV的增量进行选择，在整个温度范围内保证±25mV的精度；欠压水平也可由用户从+1.6V到+2.8V以200mV的增量进行选择，在整个温度范围内保证±100mV的精度，并且欠压检测可以作为用户配置选项之一进行禁用。

该设备内置了电平转换器，允许多达31个MAX11080/MAX11081设备以菊花链的方式连接，从而减少了大型串联电池组所需的接口信号数量。每个电池单元都进行差分监测，并与过压和欠压阈值进行比较。当任何一个电池单元超过阈值且持续时间超过设定的程序延迟间隔时，MAX11080/MAX11081会抑制心跳信号在菊花链中传递。内置的比较器迟滞功能可防止阈值抖动。

二、关键特性

1. 多电池单元监测

能够监测多达12个Li+电池单元的电压故障，适用于各种高电压、多电池串联的应用场景。

2. 宽工作电压范围

工作电压范围从6.0V到72V，具有良好的兼容性和适应性。

3. 可配置的阈值

过压阈值可通过引脚从+3.3V到+4.8V以100mV的增量进行选择，欠压阈值可从+1.6V到+2.8V以200mV的增量进行选择，并且欠压检测可以禁用。

4. 高精度检测

过压检测精度为±25mV，欠压检测精度为±100mV，确保了故障监测的准确性。

5. 迟滞功能

MAX11080的比较器迟滞为300mV，MAX11081为37.5mV，有效防止阈值抖动。

6. 可编程延迟时间

通过外部电容器，报警检测的延迟时间可从3.0ms到3.32s进行编程，增加了系统的灵活性。

7. 菊花链功能

多达31个设备可以通过菊花链连接，实现报警和关机功能的传递，简化了系统设计。

8. 超低功耗

工作模式下电流消耗为80µA，关机模式下电流为2µA，延长了电池的使用寿命。

9. 宽工作温度范围

工作温度范围从 -40°C到 +105°C（AEC - Q100，Type 2），适用于各种恶劣环境。

10. 环保封装

采用9.7mm x 4.4mm、38引脚的TSSOP封装，无铅且符合RoHS标准。

三、电气特性

1. 输入特性

• 差分输入范围：任何两个输入Cn到Cn + 1（n = 1到11）的差分输入范围为1.5V到72V，C1到C0在SHDN = 1时为1.5V到72V，SHDN = 0时为1.5V到16V。
• 输入电流：当VCELL = 3.0V时，输入电流为 -1µA到 +1µA。

  2. 阈值特性

• 过压阈值：可从+3.3V到+4.8V进行选择，过压阈值精度为±25mV。
• 欠压阈值：可从+1.6V到+2.8V进行选择，欠压阈值精度为±100mV。

  3. 比较器迟滞

  MAX11080的比较器迟滞为300mV，MAX11081为37.5mV。

  4. CD引脚特性

• CD电流：当VCD = 0.4V时，CD电流为4.35µA到7.65µA。
• CD跳变电压：内部比较器的CD跳变电压为1.23V。
• 延迟时间精度：排除CDLY变化后，延迟时间精度为±20%。

  5. 状态/控制端口特性

• 关机禁用（SHDN高电压）：SHDN / VIH为2.1V。
• 关机断言（SHDN低电压）：SHDN / VIL为0.6V。

  6. 线性调节器特性

• 输入电压范围：6V到72V。
• 输出电压：在6V < VDCIN < 72V，ILOAD = 0A时，输出电压为3.0V到3.6V。
• 短路电流：VAA = 0V，6V < VDCIN < 36V时，短路电流最大为50mA。
• 上电复位跳变电平：下降的VAA为2.8V，上升的VAA为3.0V，上升VAA的迟滞为37mV。
• 热关断：温度上升时，热关断温度为+145°C。

  7. 电源要求

• 电流消耗：工作模式下，SHDN = 1，12个电池单元，报警未激活，VDCIN = VGNDU = 36V时，电流消耗为35µA到40µA；关机模式下，SHDN = 0，12个电池单元，VDCIN = VGNDU = 36V时，电流消耗为1.3µA到2µA。

  8. 逻辑输入和输出特性

• 阈值设置：UVSEL0/UVSEL1/UVSEL2、TOPSEL的阈值为VAA - 0.1V，OVSELO/OVSEL1/OVSEL2/OVSEL3的阈值为0.1V。

四、引脚描述

1. DCIN

直流电源输入，为内部3.3V稳压器供电，应按照应用图进行连接。

2. HV

高压偏置，由电荷泵的输出进行偏置，为电池比较器电路提供高于DCIN电平的直流电源，需通过1µF电容旁路到DCIN。

3、33. N.C.

无连接，内部未连接。

4. C12

电池模块堆栈顶部的第12个电池单元的正极连接。

5 - 16. C11 - C0

分别为相邻电池单元的连接引脚，C0连接到AGND。

17 - 19. UVSEL0 - UVSEL2

欠压阈值选择引脚，用于选择八个欠压报警阈值设置之一，内部有下拉电阻，应仅连接到VAA或AGND以设置逻辑状态。

20 - 23. OVSEL0 - OVSEL3

过压阈值选择引脚，用于选择16个过压报警阈值设置之一，内部有下拉电阻，应仅连接到VAA或AGND以设置逻辑状态。

24. VAA

+3.3V模拟电源输出，需通过1µF电容旁路到AGND。

25. AGND

模拟地，应连接到电池1的负极。

26. SHDN

低电平有效关机输入，当该引脚电压低于0.6V（相对于AGND）时，会完全关闭MAX11080/MAX11081的内部稳压器和振荡器。

27. ALRML

下部端口报警输出，用于指示过压、欠压和设置故障，报警信号以菊花链方式从最高模块向下驱动。正常情况下为时钟“心跳”信号，无报警时提供4kHz时钟，也可配置为电平信号。

28. CD

可编程延迟时间引脚，通过连接一个15nF到16.5µF的陶瓷电容到AGND来设置故障条件出现到报警设置之间的保持时间。

29 - 32. TST1 - TST3

生产测试引脚，应连接到AGND。

31. TOPSEL

用于指示菊花链中最顶层设备的输入引脚，除最顶层设备外，其他设备应连接到AGND，最顶层设备应连接到VAA。

34. ALRMU

上部端口报警输入，接收相邻上层模块的ALRML输出信号，信号在VDDU和GNDU之间摆动。

35. GNDU

电平转换后的上部端口地，为电荷泵电源提供电源返回和输入，应连接到电池堆栈上的DCIN分支点。

36. VDDU

电平转换后的上部端口电源，为菊花链总线提供稳压输出电压，需通过1µF电容旁路到GNDU。

37、38. CP -、CP +

电荷泵电容引脚，在CP +和CP -之间连接一个0.01µF的高压电容。

五、工作原理

1. 过压和欠压故障检测

差分电池输入经过4倍衰减、电平转换后，转换为以AGND为参考的单端电压，然后连接到过压和欠压比较器。比较器的阈值参考由UVSEL_和OVSEL_输入引脚设置。当某个电池单元的电压超过VOV或低于VUV（VUV启用时）时，该电池单元的内部超出范围信号被设置，并与其他电池单元的相同信号进行逻辑或运算，产生一个整体的超出范围信号。当任何电池单元超出范围时，内部电流源开始对连接到CD引脚的电容器CDLY充电。如果CD引脚的电压达到VCD，ALRML线将被设置为VAA（相对于AGND最低为+2.4V）。如果所有电池单元的电压在CD引脚电压达到VCD之前从超出范围变为在范围内，内部开关将CD引脚钳位到GND，放电CDLY，不会产生报警。

2. 可编程延迟时间

报警触发延迟时间根据以下公式计算： [t{DLY}=(V{CD} × C{DLY}) / I{CD}] [C{DLY}=(t{DLY} × I{CD}) / V{CD}] 其中，电流源的有效ICD值典型为6.1µA，阈值电压VCD典型为1.23V。由于典型ICD值和6kΩ电阻的压降，引脚处的阈值电压约为1.18V。MAX11080/MAX11081可以使用15nF（3.0ms）到16.5µF（3.32s）的电容，每个电容的电压容差至少为5V。

3. 电池电压阈值选择

过压和欠压阈值通过OVSEL_和UVSEL_输入进行配置。过压选择可以从3.3V到4.8V以100mV的增量进行配置，欠压阈值可以从1.6V到2.8V以200mV的增量进行配置，欠压检测也可以禁用。

4. 内部线性稳压器

MAX11080/MAX11081具有内部线性稳压器，用于从DCIN生成内部电源。稳压器可以接受+6.0V到+72V的电源电压，并将其调节到3.3V以运行电压检测系统、控制逻辑和低侧报警脉冲接口。当SHDN引脚未激活且DCIN施加足够的电压时，稳压器的输出变为有效。稳压器与上电复位（POR）电路配对，该电路检测其输出电压，并将MAX11080/MAX11081保持在复位状态，直到内部电源达到+3.0V（±5%）的可持续阈值。内部比较器具有内置的迟滞功能，可以抑制电源线上的噪声。

5. DCIN和GNDU电源连接

在再生制动条件下，电动机产生的浪涌电压可能会对设备造成影响。MAX11080/MAX11081设计为在这种情况下能够承受最高80V的绝对最大电压，应使用外部电压抑制器（如SMCJ70）来保护设备免受更高电压的影响。DCIN输入包含一个比较器电路，用于检测该引脚的开路故障。在正常运行时，C12到DCIN的电压降应保持不超过0.5V，以防止在最坏情况下DCIN开路比较器误触发。GNDU有两种连接方法，可根据应用需求选择，以提高系统的抗噪声能力。

6. 关机控制

SHDN引脚的连接方式允许关机/唤醒命令通过菊花链电池组逐级传递。当SHDN > 2.1V时，MAX11080/MAX11081开启并开始调节VAA和VDDU；当SHDN < 0.6V时，设备关闭。SHDN引脚具有约12MΩ的弱内部下拉电阻，为确保在菊花链总线中传递激活的SHDN信号时引脚被拉低，应安装一个200kΩ或类似的电阻到AGND。SHDN引脚还设计了FMEA检测功能，用于检测可能指示与ALRML引脚短路的逻辑转换。

7. C1输入绝对最大额定值

C1输入在SHDN引脚被断言时，限制为AGND以上VDCIN - 0.6V或最大20V。如果应用需要在主动关机期间去除20V限制，可以从VAA到AGND添加一个4.0V的齐纳二极管。

8. 电池连接和检测

单个MAX11080/MAX11081可以连接多达12个串联电池单元。对于电池单元数量较少的配置，未使用的电池输入必须短路在一起，但电池1必须始终连接。在上电时，设备会将每个电池输入的电压与标称的电池检测阈值电压0.7V进行比较。如果电池电压低于该阈值，该电池输入的欠压检测将被禁用；如果输入电压为0.7V或更高，欠压检测由UVSEL_输入的状态指定。所有电池电压输入的过压检测始终启用。

9. TOPSEL功能

TOPSEL引脚用于指示设备是否为菊花链堆栈中的最顶层设备。最顶层设备负责在ALRM_引脚总线的顶部生成心跳信号，该信号沿链向主机传播。要将设备指定为最顶层设备，TOPSEL引脚应连接到VAA；对于菊花链中的其他设备，该引脚应连接到AGND。在单设备或直流耦合菊花链应用中，通过将所有设备的TOPSEL连接到AGND，可以将设备以报警电平模式运行，而不是心跳模式。

10. 内部自测试

MAX11080/MAX11081在上电时根据线性稳压器上电流程图进行内部自测试。每个过压比较器会测试其检测内部生成的过压测试条件的能力。如果所有比较器都能检测到内部生成的过压测试事件，设备将继续正常运行；如果任何比较器未能检测到该事件，将使用ALRML引脚发出故障信号，需要对设备进行电源循环以重新测试比较器并尝试清除故障条件。

六、故障模式和影响分析（FMEA）

高电压电池组系统在使用过程中可能会受到严重的应力，MAX11080/MAX11081在设计时充分考虑了这些潜在状态。该设备采用了多个电路来检测封装级的开路和短路故障，并尽可能容忍这些故障，以确保系统能够进入已知的设备状态。表3总结了正常制造过程中典型的其他条件及其对MAX11080/MAX11081设备的影响，表4给出了MAX11080/MAX11081的FMEA分析。如果电池电压在监测范围内，一旦故障条件（开路或短路）消除，ALRML上的心跳信号将恢复。

七、应用建议

1. 电源保护

在DCIN连接点使用外部电压抑制器（如SMCJ70），以保护设备免受浪涌电压和电源尖峰的影响。

2. 噪声抑制

在高噪声环境中，使用AC或DC耦合的GNDU连接方式，并将其与报警信号通过通信总线布线（如双绞线）配对，以提高系统的抗噪声能力和降低辐射。

3. 关机控制

确保SHDN引脚在菊花链总线中正确连接，并安装适当的下拉电阻，以确保设备的正常关机和唤醒操作。

4. 电池连接

根据实际应用需求，合理配置电池单元的连接方式，并确保未使用的电池输入正确短路。

5. 阈值设置

根据电池的特性和应用要求，正确设置过压和欠压阈值，以确保电池的安全运行。

八、总结

MAX11080/MAX11081是一款功能强大的12通道高压电池组故障监测器，具有高精度、低功耗、宽工作温度范围等优点，适用于各种高电压、多电池串联的应用场景。通过其丰富的功能和灵活