ISL94208EVZ评估板使用指南：从入门到测试

在硬件开发领域，对于4 - 6串联锂离子电池组的硬件开发而言，ISL94208EVZ评估板是一款非常实用的工具。今天，我们就来详细了解一下这款评估板的使用方法、测试流程以及相关特性。

文件下载：ISL94208EVZ.pdf

一、评估板简介

ISL94208EVZ评估板主要面向4 - 6串联锂离子电池组的硬件开发人员。该评估套件不仅能实现电池组的完整运行，还具备读取和写入ISL94208寄存器、设置阈值和定时器值、读取电池电压、控制电池平衡输出以及控制功率FET等功能。

套件组成

• ISL94208EVZ板：核心主板。
• ISL94208DB1EVZ电池平衡子板：用于电池平衡功能。
• ISL94208DB2EVZ电池平衡子板：另一种电池平衡方案。
• 适用于Windows XP系统的GUI软件：方便用户进行操作和监控。
• 电源接口板：用于连接单个电源或电池组。

额外需求

操作ISL94208EVZ板需要单独的USB转 (I^{2} C) 套件（型号“ISLI2C - KIT”）。此外，若要对微控制器代码进行监控和调试，可从NXP（原飞思卡尔）获取PC与微控制器BKGD连接器之间的可选链接。

二、准备工作

硬件获取

若没有DeVaSys USB转 (I^{2} C) 接口电缆和模块，可从Intersil的ISLI2C - KIT中获取。

软件下载

从Intersil网站的ISL94208页面下载软件，文件名为“ISL94208EVZ Kit Software Release V2.10”，并解压到指定目录。

软件安装

在给ISL94208（Rev B）板供电之前，安装USB转 (I^{2} C) 板软件，并将DeVaSys板连接到PC（具体安装步骤见附录1），但此时不要将DeVaSys板连接到ISL94208EVZ板。

代码修改

若需要修改微控制器代码，需从NXP（原飞思卡尔）订购编程/调试模块（型号USBMULTILINKBDME），该套件包含Code Warrior开发工具。获取源代码需联系Intersil并签署许可协议。若要对板进行校准，则需要该编程/调试模块。

电源设置

为评估板设置电源，可使用4 - 6节电池串联、4 - 6个电阻和一个电源或4 - 6个独立电源。套件中包含电源板，方便进行电源连接。若需要电池平衡功能，在给板供电前，应连接两个子板中的一个。

三、电池/电源连接

连接要求

连接电池组或电源时，应使用图2所示的推荐连接方式。要确保单个电源电压不超过ISL94208每个电池单元的最大输入电压差5V。

电阻模拟

若使用电阻串模拟电池单元，需限制电源电压，使电阻分压器输出不超过ISL94208的最大输入额定值。建议在使用电阻分压器电路时，串联电阻为100Ω或更小，最小功率为2W，并禁用平衡功能。因为激活ISL94208电池平衡输出时，会导致平衡电源电阻两端的电压降低，而其他串联电阻上的电压升高，可能使一个或多个VCELLN输入电压超过其最大指定限制。

四、初始测试

测试设置

• 如图4所示，绿色板连接在电源和评估板之间，该板支持连接单个电源（使用板上电阻分压器）、为每个输入连接独立电源或连接电池单元。
• 为电源板连接20V电源，GND连接J8或J12，正极连接J5或J11，“8 - Cell”跳线应有短路器，电源板上用跳线将CELL8输入连接到CELL6输入，以提供6个电池单元的电源。
• 在将PC通过USB转 (I^{2} C) 接口连接到ISL94208EVZ板之前，关闭电源，然后将ISL94208EVZ板插入电源板。
• 打开电源，电源开启后（或锂离子电池连接到ISL94208（Rev B）板），绿色RGO LED应亮起，使用仪表1测量RGO电压，应为约3.3V。

USB转 (I^{2} C) 接口连接

• 验证电源连接无误后，通过USB端口、DeVaSys板和 (I^{2} C) 电缆将PC连接到评估板。连接前，确保已安装USB转 (I^{2} C) 接口软件。
• 使用ISLI2C - KIT中提供的5 - 4针电缆，将 (I^{2} C) 电缆从DeVaSys板连接到ISL94208EVZ板。需注意， (I^{2} C) 接口接地引脚与电池负极相连，若负载和PC有相同的接地参考，可能会导致功率FET两侧通过PC和负载接地引线连接在一起，还可能出现接地环路或过电压问题。若担心接地连接问题，可参考第9页的“ (I^{2} C) 隔离”部分。

评估板测试

• 给评估板上电并启动GUI，PC应与微控制器通信，微控制器应与ISL94208通信。
• GUI上电后应有颜色显示，FET控制应为绿色，指示灯也应为绿色。若GUI全为灰色，则存在通信问题，可参考附录中的故障排除指南。
• 若上电后FET指示灯仍为红色，可能是至少一个输入电压或温度超出范围。

微控制器自动功能

评估板上的微控制器具有以下自动功能：

1. 电压监控：监控电池单元输入的高低电压，若任何电池单元电压过高，充电FET关闭；若任何电池单元电压过低，放电FET关闭。电压恢复正常后，FET自动开启。
2. 负载监控：过流或欠压情况后，微控制器监控负载，负载释放后，FET重新开启。
3. 温度监控：监控温度，若温度过高或过低，关闭电池平衡和功率FET。
4. 电池平衡：通过GUI启用后，微控制器执行电池平衡功能。
5. 电压报告：监控电池单元电压并将其报告给GUI。

电压扫描

正常运行时，电池单元电压每秒扫描4次。若监控AO电压，仪表读数可能不稳定，因为它看到的是一系列电压的输出。可使用示波器监控AO输出，或使用GUI选择特定电压或温度，选择后，微控制器将停止自动扫描电压，并将所选电压恒定输出到AO，直到GUI选择“All”才会重新开始自动扫描。

五、各项测试

过/欠压测试

可通过以下方式测试过压和欠压情况：

• 使用GUI监控FET状态，需更新状态以获取FET状态，在GUI中设置自动扫描是快速检查FET状态的方法，也可使用仪表检测ISL94208是否驱动FET栅极。
• 使用锂离子电池：放电电池组，直到一个或多个电池单元达到欠压限制，放电FET关闭；然后充电，直到FET再次开启，继续充电直到达到过压条件。
• 使用单个电源：降低电源电压，直到一个或多个电池单元达到欠压限制，放电FET关闭；然后增加电压，直到FET再次开启，继续增加电压直到达到过压条件。
• 使用七个电源：简单地增加或降低任何单个电源的电压，直到达到阈值，FET关闭或开启。

过流测试

在不更改评估板上感测电阻值的情况下，测试ISL94208EVZ板的过流设置并不容易。评估板出厂时，放电感测电阻为2.5mΩ，充电感测电阻为50mΩ，要达到放电短路条件需要80A电流，达到放电过流条件需要40A负载，达到充电过流条件需要2A电流。将两个电阻都改为0.5Ω可方便测试电流阈值。测试时，通常需要使用电池单元并提供大负载，虽然评估板未对高负载电流进行广泛测试，但理论上其走线足够短且宽，可处理高达40A的过流条件。

电池平衡测试

测试电池平衡操作需要使用锂离子电池或为每个电池单元提供独立电源，也可修改子板，使用1kΩ电池平衡电阻代替标准板上的200Ω或39Ω电阻。对于6个电池单元（ (VBAT = 20V) ）和39Ω电池平衡电阻，开启一个电池平衡输出会使该电池单元电压降至约1V，此时微控制器会使ISL94208进入睡眠状态。

• 快速测试：使用GUI中的CB6:CB1复选框开启或关闭任何组合的电池平衡FET。
• 软件自动平衡测试：首先观察最大电池单元电压是否比最小电池单元电压高30mV以上，若如此，记录最大电压电池单元的编号。在GUI中选择“Cell Balance”的“Max #”为“1”，将平衡限制在一个电池单元（最大电压的电池单元）。监控评估板或GUI上的电池平衡LED，跟踪电池平衡操作，在GUI中使用CB刷新按钮（或启动自动更新）更新指示灯，显示正在平衡的电池单元。评估板设置为微控制器平衡2秒，然后关闭平衡2秒，再继续平衡。若最大电压电池单元与次高电压电池单元非常接近，或多个电池单元电压范围较窄，由于微控制器A/D转换器的精度，这些电池单元都可能被平衡。
• 平衡时间设置：对于实际应用，平衡时间可能过短。可在GUI的“Pack Tab”中更改电池平衡的开/关时间，建议最小设置为开启2秒、关闭2秒，因为1秒的自动扫描可能会因电池平衡和自动扫描的异步性质而导致混淆。
• 多电池单元平衡测试：选择“Cell Balance”的“Max #”为“2”，将平衡限制在两个电池单元（最高电压的两个电池单元），定期刷新CB屏幕，观察电池平衡代码的操作。
• 参数修改测试：打开GUI中的“Pack Tab”，更改过压、欠压或电池平衡的一些设置，然后重新测试，记得点击“Write”将新参数发送到微控制器。

睡眠/唤醒测试

ISL94208板可通过以下三种方式进入睡眠模式：

1. 使用GUI寄存器访问框架下方的“Sleep”按钮。
2. 使用GUI寄存器访问窗口向ISL94208寄存器4写入80H。
3. 将任何电池单元的电压降至2.3V以下并持续1秒（默认微控制器软件设置），微控制器会使ISL94208进入睡眠状态，此时ISL94208的RGO输出和LED关闭。

唤醒ISL94208需要使其WKUP引脚低于唤醒阈值，可通过以下方式实现：

• 充电器连接：充电器连接到电池组充电端子时，会将充电器负极拉至约ISL94208 VSS电压，与未加载的充电器效果相同。
• 负载连接：负载连接到负载端子时，负载端子被拉高（睡眠模式下，功率FET关闭，ISL94208 VSS引脚与Pack - 引脚的连接断开）。
• 唤醒按钮：评估板上有三个唤醒按钮，默认设置下，ISL94208的WKPOL位为0，WKUP引脚低电平唤醒。ISL94208EVZ板有一个按钮模拟负载连接使WKUP引脚拉低（WKP0_L），另一个按钮模拟充电器连接使WKUP引脚拉低（WKP0_C），按下任一按钮可唤醒设备。在GUI的“Configure Tab”中，勾选“WKUP Pin Active High”框可将WKPOL引脚设置为上升沿唤醒，此时ISL94208通过WKP1开关模拟的微控制器命令唤醒。唤醒后，ISL94208开启RGO输出，RGO LED亮起。

六、其他特性

电流方向检测

ISL94208EVZ板有一个电路用于检测充电或放电电流，该电路旨在检测流入或流出电池组的小电流。其主要用途有两个：一是在电源控制中，若微控制器长时间未检测到电流，可使电池组硬件进入睡眠状态以延长电池寿命；二是电池平衡程序通常仅在充电状态下进行，需要知道充电电流正在流动的信息。电流方向检测器为比较器，当电流足够大时，指示灯变高，充电电流阈值约为100mA，放电电流阈值约为800mA。可通过更换电阻来改变阈值，但将阈值设置得过低可能会因运算放大器输入失调而导致问题。更改放电电流检测阈值可改变图8中R46的值（值越小，电流阈值越低），更改充电电流检测阈值可改变R40的值。

电池组电压监控

ISL94208EVZ有一个由微控制器激活的电路，可直接监控电池组电压，微控制器的输入为电池组电压除以16。该电路的目的是获得电池组电压的另一个读数，没有该电路时，电池组电压通过各个电池单元电压相加确定，单独的读数可进行“合理性检查”，确保电池单元测量没有重大误差。

FET驱动电压

在ISL94208EVZ板中，一个单独的稳压器为FET驱动提供VFET1和VFET2参考电压，这样做的主要原因有三个：

1. 在简单配置中，VCFET2连接到VCELL3，VFET1连接到VCELL2，FET参考电流主要从电池组的CELL3汲取，根据FET驱动电流的不同，这可能会导致电池组不平衡。使用稳压器可从电池组顶部提供电流，更好地保持平衡。
2. 当VFET2和VFET1之间的电压差降至约2.8V以下时，FET驱动难以提供足够的电流来完全驱动FET，温度升高时情况会更糟。若每个电池单元电压降至2.3V以下，将VFET引脚直接连接到CELL引脚可能会导致FET关闭（或无法开启）。使用稳压器，可在电池单元电压低于1.5V（6电池组）时保持FET驱动电流。
3. 由于FET电流来自稳压器，可更好地保持测量精度，因为单个电池单元输入上没有额外电流流动。4.3V稳压器上的100k电阻不能为齐纳二极管提供足够的电流以实现良好的调节，理想情况下，应使用3V齐纳二极管和5.6k电阻（1mA齐纳电流），但这会显著增加电池组电流。通过使用更高电压的齐纳二极管和更大的电阻，可在较低电流下实现类似的效果。只要保持VFET引脚限制，电压差不低于2.8V即可。VFET稳压器可选用Intersil的产品，但并非必需，应选择可禁用的稳压器，以便在ISL94208进入睡眠状态并关闭RGO时电流非常低。

VCELL输入肖特基二极管

ISL94208EVZ原理图显示，VCELLn和CB(n + 1)之间的输入有五个肖特基二极管，这些二极管用于处理将评估板热插拔到电池组时的输入浪涌电流。但当输入电阻大于100Ω时，这些组件并非必需。

电池平衡子板

ISL94208EVZ套件提供两个子板，主板可在不使用任何子板的情况下使用，但此时没有平衡功能。不使用子板时，每个来自电池组的VCELL输入有一个1k串联电阻和一个22nF滤波电阻接地。

• DB1子板：使用ISL94208上的内部平衡FET。安装该子板后，使用1k输入串联电阻进行平衡不实际，因为电压降过大，会导致电压测量不准确，板上的微控制器会将其解释为开路或欠压电池，从而使板进入睡眠状态。为解决这个问题，该子板在主板的1k电阻上并联一个20Ω电阻，并将滤波电容增加到1µF。CB引脚的滤波器时间常数应与VCELL引脚相同。DB1子板使用200Ω平衡电阻，这是在不影响电压监控的情况下可能的最小电阻。当VCELLn和VCELLn - 1之间的电池平衡开启时，由于两个电池单元之间的200Ω和20Ω分压器，VCELLn - 1的电压会增加约10%，DB1子板的平衡电流约为16mA。
• DB2子板：使用外部平衡FET，这些是由CB输出驱动的p沟道器件。安装该子板时，主板的滤波器保持不变，仍为1k串联电阻和22nF电容接地，子板仅添加用于平衡的额外组件。由于平衡电流不通过输入电阻，平衡或非平衡状态下监控的电压变化不大，但仍可能有一些变化。DB2平衡电路的平衡电流约为100mA，这可能会导致电源电压（电源或实际电池）发生一些变化。若锂离子电池的内阻为20mΩ，100mA的平衡电流会使测量电压降低2mV，CB输出开启时，通过500k和两个1k电阻的电流也会导致约7mV的误差。DB2板对平衡电阻的散热处理不佳，若六个平衡输出中有五个同时开启，会有大约2W的功率耗散，可能导致板发热，建议在长时间测试时仅同时平衡几个电池单元。

(I^{2}