Atmel ATA6870：用于电池管理的多功能芯片

在电子设备的设计中，电池管理是一个至关重要的环节，特别是在电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）等应用中。Atmel ATA6870作为一款专门为锂离子（Li - Ion）和镍氢（NiMH）多节电池组设计的测量和监控电路，为电池管理提供了强大而可靠的解决方案。

文件下载：ATA6870-DK.pdf

一、芯片概述

Atmel ATA6870是一款针对混合动力电动汽车中Li - Ion和NiMH多节电池组的测量和监控电路。它能够通过12位ADC监测电池单元的电压和温度，还具备每个电池单元的充电平衡能力。此外，芯片集成了线性稳压器，可为微控制器或其他外部组件供电。通过带有电流源的电平转换器，实现了堆叠IC之间的可靠通信。该芯片可连接3、4、5或6个电池单元，在一个串中最多可级联16个电路（96个电池单元），并且对串的数量没有限制。

二、芯片特性

2.1 测量与平衡功能

• 高精度测量：具备12位电池单元电压测量功能，能够同时并行测量电池单元，还可进行电池单元温度测量。
• 充电平衡：支持电池单元的并行平衡，有助于保持电池组中各电池单元的一致性。

2.2 电源与低功耗特性

• 集成电源：为MCU提供集成电源，方便系统设计。
• 低功耗：待机电流小于10µA，电池单元不平衡电流小于10µA，有效降低功耗。

2.3 其他特性

• 热插拔能力：支持热插拔操作，增强了系统的灵活性。
• 中断定时器：用于循环唤醒MCU，便于系统的定时操作。
• 成本效益：采用成本优化的30V CMOS技术，提供了经济高效的解决方案。
• 可靠通信：通过带有电流源的电平转换器和数据校验和监控，实现堆叠IC之间的可靠通信。
• 可级联性：支持菊花链连接，每个IC可监控多达6个电池单元，每串最多可连接16个IC（96个电池单元），且串的数量不受限制。

三、引脚配置

ATA6870采用QFN48 7mm × 7mm封装，其引脚具有多种功能。例如，DISCH(i)引脚用于驱动外部电池单元平衡晶体管，MBAT(i)引脚用于电池单元传感。此外，还有用于通信的SPI接口引脚（如CS_N、SCK、MOSI、MISO）、中断引脚（IRQ）以及电源和接地引脚等。这些引脚的合理配置为芯片与外部电路的连接提供了便利。

四、系统架构

4.1 堆叠与通信

ATA6870可以在一个串中堆叠多达16次。与MCU的通信通过最低层的SPI总线进行，数据通过芯片内部实现的通信接口传输到其他15个ATA6870芯片。这种架构使得多个芯片能够协同工作，实现对大量电池单元的监控和管理。

4.2 多串架构

系统支持多个电池串的连接，且串的数量没有限制。这为不同规模的电池系统设计提供了灵活性，可根据实际需求进行扩展。

五、绝对最大额定值

在使用ATA6870时，需要注意其绝对最大额定值，包括环境温度、结温、存储温度、电池单元电压、电源电压等参数。超出这些额定值可能会导致设备永久性损坏，影响设备的可靠性。例如，环境温度范围为 - 40°C至 + 85°C，结温范围为 - 40°C至 + 125°C等。

六、热阻特性

ATA6870采用QFN48 7 × 7封装，其最大热阻结 - 环境（在特定条件下）为20K/W，最大热阻结 - 外壳待定。热阻特性对于芯片的散热设计至关重要，合理的散热设计可以确保芯片在正常温度范围内工作，提高其稳定性和可靠性。

七、电路描述与电气特性

7.1 工作模式

• 掉电模式（PDmode）：在掉电模式下，IC的所有模块都被关闭。可以通过PD_N输入将电路从掉电模式切换到开启模式或反之。如果多个ATA6870堆叠，只需为堆叠顶层的IC提供掉电信号，下层IC从上层IC的PD_N_OUT输出接收该信息。
• 正常模式（NORM Mode）：当PD_N信号从低电平切换到高电平时，ATA6870开启。电源AVDD、DVDD以及VDDHVM（如果输入信号POW_ENA = 高）开启，配置寄存器设置为默认值。在正常模式下，ATA6870可以根据主机微控制器的请求采集模拟数据（电压或温度通道）。

7.2 电池单元接口

每个输入线MBAT(i)和电源线VDDHV、AVSS可以通过额外的电阻和滤波电容进行保护。MBAT(i)为高阻抗输入（约2MΩ），外部组件可保护ATA6870芯片免受电池单元级别的电流尖峰和过电压影响。

7.3 电池单元数量配置

ATA6870可以使用减少数量的电池单元进行操作，支持3、4、5和6个电池单元的配置。在这些情况下，对应缺失电池单元的芯片输入应连接到模块的上层电池单元电位。

7.4 外部MCU电源

ATA6870为外部组件（如微控制器单元MCU）提供3.3V电源。电源输入引脚为VDDHVP，输出引脚为VDDHVM。该稳压器能够直接从电池串的最顶层电池单元为MCU供电，所有堆叠的ATA6870的电源稳压器采用串联配置以避免不平衡。可以通过数字输入引脚POW_ENA禁用该稳压器。

7.5 模拟模块

• 电池电压测量：电池电压测量模块包含2输入多路复用器、电压参考、12位ADC和数字电压电平转换器的上半部分。多路复用器的输入由SPI控制，用于选择输入电压测量或ADC的偏移误差采集。12位增量ADC将模拟输入转换为12位数字字，其精度受多种因素影响，如输入噪声、温度等。
• 电池单元放电：每个电池单元可以通过外部电阻和NMOS晶体管进行放电。DISCH(i)引脚用于控制外部放电电阻与电池单元并联，以实现电池单元的平衡。
• 温度通道：温度传感器基于电阻分压器，使用标准电阻和NTC电阻。在一个测量周期内，ADC只能测量一个温度输入，通道可通过操作寄存器中的TempMode位进行选择。
• 内部电压调节器：调节器输出引脚为AVDD，AVDD和DVDD需要连接在一起。外部滤波电容（建议10nF）用于滤波和稳定功能。调节器输出可用于为外部功能供电，但可能会导致电池单元之间的电源供应不平衡。
• 中央偏置：该模块产生精确的偏置电流，为IC的内部模块供电。不允许将任何外部负载连接到该引脚。
• RC振荡器：内部RC振荡器的频率典型值为50kHz，最大值为55kHz。
• 上电复位：上电复位用于在电源上电时初始化数字部分。当DVDD引脚的电压大于V POROP时，上电复位电路起作用。有系统“硬复位”和系统硬复位两种复位源，复位后ATA6870寄存器设置为初始值。

7.6 数字部分

• 通用特性：ATA6870的数字部分包括4线SPI全双工通信、SPI系统协议管理、中断管理、操作解码和模拟部分控制以及低频定时器等模块。
• 主机接口：ATA6870与主机MCU以及ATA6870之间的通信基于4线串行/并行SPI接口（CS_N、SCK、MISO、MOSI）和中断线（IRQ）。SPI接口允许寄存器的读写操作，中断线用于指示需要主机干预的事件。
• 中断：在正常模式下，中断请求的原因包括测量数据可用、低频定时器超时、SPI事务传输错误和欠压条件等。每个中断源对应irqMask寄存器中的一个掩码位，MCU必须在清除中断之前读取ATA6870状态寄存器。
• SPI接口：全双工SPI接口通过4根线（MISO、MOSI、SCK和CS_N）与主机MCU进行通信。SPI事务基于字节访问MSB优先协议，包括标识、控制、数据和校验和等字段。
• 通信错误：ATA6870通过多种方式验证通信的正确性，如保持CLK在SPI访问期间运行、确保传输完整字节等。如果检测到通信错误，CommError位将在状态寄存器中设置。
• 校验和字段：ATA6870可以使用校验和验证传输的数据。在Ctrl寄存器中设置chksum_ena位为1可激活校验和功能。校验和基于多项式 (x^{8}+x^{2}+x^{1}+1) 计算，用于确保数据传输的准确性。
• 设备位置：通过Pin MFIRST可以选择不同的物理接口。当MFIRST = 1时，ATA6870作为第一个IC（主设备），SPI作为标准逻辑CMOS接口与MCU通信；当MFIRST = 0时，SPI作为基于电流源的电平转换器在堆叠的ATA6870之间工作。
• 数字输入和输出：数字输出（如MISO、IRQ）和数字输入（如MISO_IN、IRQ_IN）具有不同的电气特性，根据芯片的配置（主设备或堆叠设备）而有所不同。测试模式引脚（如DTST、ATST、PWTST）在应用中需要保持开路，而SCANMODE、CS_FUSE和VDDFUSE需要连接到VSSA。

7.7 操作功能

• 电压和温度测量：启动时，ATA6870等待操作请求，可进行6通道电压采集和温度采集。操作完成后，通过IRQ输出和状态寄存器中的dataRdy位向主机MCU发出标志。用户可以通过访问dataRd16burst寄存器（112位）一次性获取所有结果，也可以选择单个通道进行读取。在操作完成之前，不能发起新的操作。
• 放电功能：每个通道可以独立放电，通过ChannelDischSel寄存器激活或禁用放电功能。
• 低频定时器功能：低频定时器（LFT）与内部50kHz振荡器同步，为主机MCU提供低功耗定时器。LFT超时会向主机MCU发出中断请求，可通过IrqMask寄存器中的相应掩码位进行屏蔽。LFT的计数时间可在LFTimer寄存器中进行编程。
• 欠压检测：ATA6870内置可编程欠压检测功能，将6个电压数字化后与UdvThresh寄存器中定义的可编程阈值进行比较。如果某个通道的电压超出阈值范围，且IrqMask寄存器中的相应udv掩码位未设置，则向主机MCU发出中断请求。

7.8 寄存器

ATA6870的寄存器通过SPI接口进行读写操作，包括RevID、Ctrl、Operation、OpStatus等多个寄存器。每个寄存器具有不同的功能，如控制寄存器（Ctrl）用于控制SPI事务校验和计算、低频定时器启用等功能；操作寄存器（Operation）用于发起操作请求；状态寄存器（Status）用于指示各种状态信息。

八、应用与订购信息

ATA6870适用于电动汽车和混合动力汽车中锂离子和镍氢电池系统的电池测量、供电和监控。其订购信息包括不同的扩展型号和封装，如ATA6870 - PLPW和ATA6870 - PLQW，封装均为QFN48 7 × 7，最小订购量分别为1000件和4000件。

九、总结

Atmel ATA6870以其丰富的功能和出色的性能，为电池管理系统提供了全面而可靠的解决方案。无论是在测量精度、充电平衡、低功耗还是通信可靠性方面，都表现出色。对于电子工程师来说，在设计电动汽车和混合动力汽车的电池管理系统时，ATA6870是一个值得考虑的选择。你在实际应用中是否使用过类似的芯片？遇到过哪些问题？欢迎在评论区分享你的经验和见解。