Atmel ATA6870：用于電池管理的多功能芯片

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電池管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，特別是在電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）等應(yīng)用中。Atmel ATA6870作為一款專門為鋰離子（Li - Ion）和鎳氫（NiMH）多節(jié)電池組設(shè)計的測量和監(jiān)控電路，為電池管理提供了強大而可靠的解決方案。

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一、芯片概述

Atmel ATA6870是一款針對混合動力電動汽車中Li - Ion和NiMH多節(jié)電池組的測量和監(jiān)控電路。它能夠通過12位ADC監(jiān)測電池單元的電壓和溫度，還具備每個電池單元的充電平衡能力。此外，芯片集成了線性穩(wěn)壓器，可為微控制器或其他外部組件供電。通過帶有電流源的電平轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了堆疊IC之間的可靠通信。該芯片可連接3、4、5或6個電池單元，在一個串中最多可級聯(lián)16個電路（96個電池單元），并且對串的數(shù)量沒有限制。

二、芯片特性

2.1 測量與平衡功能

• 高精度測量：具備12位電池單元電壓測量功能，能夠同時并行測量電池單元，還可進行電池單元溫度測量。
• 充電平衡：支持電池單元的并行平衡，有助于保持電池組中各電池單元的一致性。

2.2 電源與低功耗特性

• 集成電源：為MCU提供集成電源，方便系統(tǒng)設(shè)計。
• 低功耗：待機電流小于10μA，電池單元不平衡電流小于10μA，有效降低功耗。

2.3 其他特性

• 熱插拔能力：支持熱插拔操作，增強了系統(tǒng)的靈活性。
• 中斷定時器：用于循環(huán)喚醒MCU，便于系統(tǒng)的定時操作。
• 成本效益：采用成本優(yōu)化的30V CMOS技術(shù)，提供了經(jīng)濟高效的解決方案。
• 可靠通信：通過帶有電流源的電平轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)校驗和監(jiān)控，實現(xiàn)堆疊IC之間的可靠通信。
• 可級聯(lián)性：支持菊花鏈連接，每個IC可監(jiān)控多達6個電池單元，每串最多可連接16個IC（96個電池單元），且串的數(shù)量不受限制。

三、引腳配置

ATA6870采用QFN48 7mm × 7mm封裝，其引腳具有多種功能。例如，DISCH(i)引腳用于驅(qū)動外部電池單元平衡晶體管，MBAT(i)引腳用于電池單元傳感。此外，還有用于通信的SPI接口引腳（如CS_N、SCK、MOSI、MISO）、中斷引腳（IRQ）以及電源和接地引腳等。這些引腳的合理配置為芯片與外部電路的連接提供了便利。

四、系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 堆疊與通信

ATA6870可以在一個串中堆疊多達16次。與MCU的通信通過最低層的SPI總線進行，數(shù)據(jù)通過芯片內(nèi)部實現(xiàn)的通信接口傳輸?shù)狡渌?5個ATA6870芯片。這種架構(gòu)使得多個芯片能夠協(xié)同工作，實現(xiàn)對大量電池單元的監(jiān)控和管理。

4.2 多串架構(gòu)

系統(tǒng)支持多個電池串的連接，且串的數(shù)量沒有限制。這為不同規(guī)模的電池系統(tǒng)設(shè)計提供了靈活性，可根據(jù)實際需求進行擴展。

五、絕對最大額定值

在使用ATA6870時，需要注意其絕對最大額定值，包括環(huán)境溫度、結(jié)溫、存儲溫度、電池單元電壓、電源電壓等參數(shù)。超出這些額定值可能會導致設(shè)備永久性損壞，影響設(shè)備的可靠性。例如，環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 125°C等。

六、熱阻特性

ATA6870采用QFN48 7 × 7封裝，其最大熱阻結(jié) - 環(huán)境（在特定條件下）為20K/W，最大熱阻結(jié) - 外殼待定。熱阻特性對于芯片的散熱設(shè)計至關(guān)重要，合理的散熱設(shè)計可以確保芯片在正常溫度范圍內(nèi)工作，提高其穩(wěn)定性和可靠性。

七、電路描述與電氣特性

7.1 工作模式

• 掉電模式（PDmode）：在掉電模式下，IC的所有模塊都被關(guān)閉。可以通過PD_N輸入將電路從掉電模式切換到開啟模式或反之。如果多個ATA6870堆疊，只需為堆疊頂層的IC提供掉電信號，下層IC從上層IC的PD_N_OUT輸出接收該信息。
• 正常模式（NORM Mode）：當PD_N信號從低電平切換到高電平時，ATA6870開啟。電源AVDD、DVDD以及VDDHVM（如果輸入信號POW_ENA = 高）開啟，配置寄存器設(shè)置為默認值。在正常模式下，ATA6870可以根據(jù)主機微控制器的請求采集模擬數(shù)據(jù)（電壓或溫度通道）。

7.2 電池單元接口

每個輸入線MBAT(i)和電源線VDDHV、AVSS可以通過額外的電阻和濾波電容進行保護。MBAT(i)為高阻抗輸入（約2MΩ），外部組件可保護ATA6870芯片免受電池單元級別的電流尖峰和過電壓影響。

7.3 電池單元數(shù)量配置

ATA6870可以使用減少數(shù)量的電池單元進行操作，支持3、4、5和6個電池單元的配置。在這些情況下，對應(yīng)缺失電池單元的芯片輸入應(yīng)連接到模塊的上層電池單元電位。

7.4 外部MCU電源

ATA6870為外部組件（如微控制器單元MCU）提供3.3V電源。電源輸入引腳為VDDHVP，輸出引腳為VDDHVM。該穩(wěn)壓器能夠直接從電池串的最頂層電池單元為MCU供電，所有堆疊的ATA6870的電源穩(wěn)壓器采用串聯(lián)配置以避免不平衡?？梢酝ㄟ^數(shù)字輸入引腳POW_ENA禁用該穩(wěn)壓器。

7.5 模擬模塊

• 電池電壓測量：電池電壓測量模塊包含2輸入多路復(fù)用器、電壓參考、12位ADC和數(shù)字電壓電平轉(zhuǎn)換器的上半部分。多路復(fù)用器的輸入由SPI控制，用于選擇輸入電壓測量或ADC的偏移誤差采集。12位增量ADC將模擬輸入轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字字，其精度受多種因素影響，如輸入噪聲、溫度等。
• 電池單元放電：每個電池單元可以通過外部電阻和NMOS晶體管進行放電。DISCH(i)引腳用于控制外部放電電阻與電池單元并聯(lián)，以實現(xiàn)電池單元的平衡。
• 溫度通道：溫度傳感器基于電阻分壓器，使用標準電阻和NTC電阻。在一個測量周期內(nèi)，ADC只能測量一個溫度輸入，通道可通過操作寄存器中的TempMode位進行選擇。
• 內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)器輸出引腳為AVDD，AVDD和DVDD需要連接在一起。外部濾波電容（建議10nF）用于濾波和穩(wěn)定功能。調(diào)節(jié)器輸出可用于為外部功能供電，但可能會導致電池單元之間的電源供應(yīng)不平衡。
• 中央偏置：該模塊產(chǎn)生精確的偏置電流，為IC的內(nèi)部模塊供電。不允許將任何外部負載連接到該引腳。
• RC振蕩器：內(nèi)部RC振蕩器的頻率典型值為50kHz，最大值為55kHz。
• 上電復(fù)位：上電復(fù)位用于在電源上電時初始化數(shù)字部分。當DVDD引腳的電壓大于V POROP時，上電復(fù)位電路起作用。有系統(tǒng)“硬復(fù)位”和系統(tǒng)硬復(fù)位兩種復(fù)位源，復(fù)位后ATA6870寄存器設(shè)置為初始值。

7.6 數(shù)字部分

• 通用特性：ATA6870的數(shù)字部分包括4線SPI全雙工通信、SPI系統(tǒng)協(xié)議管理、中斷管理、操作解碼和模擬部分控制以及低頻定時器等模塊。
• 主機接口：ATA6870與主機MCU以及ATA6870之間的通信基于4線串行/并行SPI接口（CS_N、SCK、MISO、MOSI）和中斷線（IRQ）。SPI接口允許寄存器的讀寫操作，中斷線用于指示需要主機干預(yù)的事件。
• 中斷：在正常模式下，中斷請求的原因包括測量數(shù)據(jù)可用、低頻定時器超時、SPI事務(wù)傳輸錯誤和欠壓條件等。每個中斷源對應(yīng)irqMask寄存器中的一個掩碼位，MCU必須在清除中斷之前讀取ATA6870狀態(tài)寄存器。
• SPI接口：全雙工SPI接口通過4根線（MISO、MOSI、SCK和CS_N）與主機MCU進行通信。SPI事務(wù)基于字節(jié)訪問MSB優(yōu)先協(xié)議，包括標識、控制、數(shù)據(jù)和校驗和等字段。
• 通信錯誤：ATA6870通過多種方式驗證通信的正確性，如保持CLK在SPI訪問期間運行、確保傳輸完整字節(jié)等。如果檢測到通信錯誤，CommError位將在狀態(tài)寄存器中設(shè)置。
• 校驗和字段：ATA6870可以使用校驗和驗證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在Ctrl寄存器中設(shè)置chksum_ena位為1可激活校驗和功能。校驗和基于多項式 (x^{8}+x^{2}+x^{1}+1) 計算，用于確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。
• 設(shè)備位置：通過Pin MFIRST可以選擇不同的物理接口。當MFIRST = 1時，ATA6870作為第一個IC（主設(shè)備），SPI作為標準邏輯CMOS接口與MCU通信；當MFIRST = 0時，SPI作為基于電流源的電平轉(zhuǎn)換器在堆疊的ATA6870之間工作。
• 數(shù)字輸入和輸出：數(shù)字輸出（如MISO、IRQ）和數(shù)字輸入（如MISO_IN、IRQ_IN）具有不同的電氣特性，根據(jù)芯片的配置（主設(shè)備或堆疊設(shè)備）而有所不同。測試模式引腳（如DTST、ATST、PWTST）在應(yīng)用中需要保持開路，而SCANMODE、CS_FUSE和VDDFUSE需要連接到VSSA。

7.7 操作功能

• 電壓和溫度測量：啟動時，ATA6870等待操作請求，可進行6通道電壓采集和溫度采集。操作完成后，通過IRQ輸出和狀態(tài)寄存器中的dataRdy位向主機MCU發(fā)出標志。用戶可以通過訪問dataRd16burst寄存器（112位）一次性獲取所有結(jié)果，也可以選擇單個通道進行讀取。在操作完成之前，不能發(fā)起新的操作。
• 放電功能：每個通道可以獨立放電，通過ChannelDischSel寄存器激活或禁用放電功能。
• 低頻定時器功能：低頻定時器（LFT）與內(nèi)部50kHz振蕩器同步，為主機MCU提供低功耗定時器。LFT超時會向主機MCU發(fā)出中斷請求，可通過IrqMask寄存器中的相應(yīng)掩碼位進行屏蔽。LFT的計數(shù)時間可在LFTimer寄存器中進行編程。
• 欠壓檢測：ATA6870內(nèi)置可編程欠壓檢測功能，將6個電壓數(shù)字化后與UdvThresh寄存器中定義的可編程閾值進行比較。如果某個通道的電壓超出閾值范圍，且IrqMask寄存器中的相應(yīng)udv掩碼位未設(shè)置，則向主機MCU發(fā)出中斷請求。

7.8 寄存器

ATA6870的寄存器通過SPI接口進行讀寫操作，包括RevID、Ctrl、Operation、OpStatus等多個寄存器。每個寄存器具有不同的功能，如控制寄存器（Ctrl）用于控制SPI事務(wù)校驗和計算、低頻定時器啟用等功能；操作寄存器（Operation）用于發(fā)起操作請求；狀態(tài)寄存器（Status）用于指示各種狀態(tài)信息。

八、應(yīng)用與訂購信息

ATA6870適用于電動汽車和混合動力汽車中鋰離子和鎳氫電池系統(tǒng)的電池測量、供電和監(jiān)控。其訂購信息包括不同的擴展型號和封裝，如ATA6870 - PLPW和ATA6870 - PLQW，封裝均為QFN48 7 × 7，最小訂購量分別為1000件和4000件。

九、總結(jié)

Atmel ATA6870以其豐富的功能和出色的性能，為電池管理系統(tǒng)提供了全面而可靠的解決方案。無論是在測量精度、充電平衡、低功耗還是通信可靠性方面，都表現(xiàn)出色。對于電子工程師來說，在設(shè)計電動汽車和混合動力汽車的電池管理系統(tǒng)時，ATA6870是一個值得考慮的選擇。你在實際應(yīng)用中是否使用過類似的芯片？遇到過哪些問題？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。