2019年04月15日 | 技术文章—基于Microchip的低成本高精度电流检测方案

BMS(Battery Management System)是连接新能源车核心部件电池与整车的桥梁。受益于新能源车的发展，作为核心部件的BMS也得到了飞速的发展。BMS根据控制的结构不同分为主从式BMS和一体机BMS。无论哪种控制结构，总电流检测是必不可少的。BMS的电流检测分为传统霍尔传感器检测方式和分流器的检测方式。经过分析，基于分流器的直接式电流采样技术的电流传感器方案成本更低、精度更高，是汽车和能源存储系统BMS应用的首选。

分流器检测方式之所以成为首选，一方面是由于其较高的测量精度和相对较低的成本，另一方面是因为它测量方法简单，使用设备少、方便快捷。其测量原理是直接测量分流器两端的电压，再根据欧姆定律，用测得的电压除以分流器的电阻值，从而得到电路中的电流值。而霍尔传感器检测方式虽然结构简单，但其测量值随温度的变化较大。为此，本文将介绍一款基于Microchip MCU、CAN接口和信号调理平台的低成本高精度的分流器检测方案，供大家参考与使用。

该方案采用了Bourns的大电流分流器CSM2F-8518-L100J32、Microchip的MCU ATSAMC21E18A、ADC MCP3421、仪表放大器MCP6N16、电压基准MCP1501以及Microchip 的CAN接口ATA6560。仪表放大器MCP6N16与电压基准MCP1501将分流器的采集信号放大和抬升，再由18-bit 内置PGA ΔΣADC MCP3421将放大的模拟信号转成数字信号，通过I2C接口传给Microchip MCU ATSAMC21E18A，然后MCU进行数据的读取、处理和标定，Microchip 的CAN接口ATA6560用于数据通讯。该方案除了用于BMS系统，还可用于电动和混动汽车、母线电流检测和焊接设备。

该分流器方案的特点：最大的工作隔离电压可以达到560V。室温下，精度可达2‰，全范围精度为5‰，电源宽范围电压输入，12V时消耗的电流小于3mA，工作温度范围-40~125 ℃，持续检测电流500A，最大冲击电流1000A（30mins on/off）。

为了方便用户的测试、标定和应用，方案同时也提供了上位机软件。通过桥接工具，用户可以直观地对分流器方案进行标定和测试应用。MCU内置Flash支持读写功能，用来模拟EEPROM的功能存储标定的数据。板上和分流器上贴有NTC温度传感器，用户可以实时的读取板上和分流器上的温度。

了解了此电流检测方案的整体特点后，我们再来逐个介绍组成此方案的核心器件各自特点。

先从此方案的MCU入手，Microchip MCU ATSAMC21E18A的特色是32 bit Cortex M0+ MCU，可以5V供电，灵活的串口外设Sercom可以任意灵活的配制成UART、SPI和I2C；内置CAN控制器支持CAN-FD，同时兼容CAN2.0 A/B。

其放大器MCP6N16具备自校正架构，可以通过超低失调、低失调漂移，以及优异的共模和电源抑制功能来最大限度地提高DC性能，同时消除1/f噪声的不良影响，从而在全温度范围实现超高的精度。MCP6N16的低功耗CMOS工艺技术在实现低功耗的同时，还可提供500 kHz的带宽。此外，它配有一个硬件使能引脚可进一步降低功耗。对于既定速度和性能而言，这种低功耗运行和停机功能需要的电流更少，因而可延长电池寿命和减少本身发热。该放大器的运行电压低至1.8V，使得两节1.5V干电池的电量消耗远比典型情况下的少，而其轨对轨输入和输出操作即使是在低供电的条件下也可确保全范围使用。这使得整个运行电压范围内的性能都得到大幅提升。MCP6N16仪表放大器非常适用于需要高性能、高精度与低功耗、低电压运行兼备的应用，涵盖医疗、消费和工业市场上的传感器接口、信号调理以及固定式和便携式仪器等等。

与其他A/D转换器相比，MCP3421 特别适合需要设计简单、低功耗和节省空间的各种高精度模/ 数转换应用。其特点主要表现在：全差分输入，18位分辨率，精密的连续自校准功能；可选择3.75、15、60或240SPS采样速率进行转换；可工作在连续转换或单次转换模式，在单次转换后的空闲期内自动进入待机模式，极大的减少了电流消耗；内部集成2.048V 0.05%精度，且温度漂移仅为5ppm/℃的基准电压源，可编程增益放大器（PGA）提供1/2/4/8倍增益，允许测量极小的信号并且具有很高的分辨率，内部集成振荡器电路并提供I2C串行接口等。

Microchip混合及线性信号产品部副总裁Bryan J. Liddiard表示：“ADC市场和应用的发展需要更高分辨率、更高速度和更高精度。此外，更低的功耗和更小的封装也非常重要，我们新推出的这些产品可满足以上全部需求。”

高电压输入集成开关降压稳压器MCP16331可工作在最高50V的输入电压源下。集成的特性包括上桥臂开关、固定频率峰值电流模式控制、内部补偿、峰值电流限制和过温保护。只需最少量的外部元件，即可开发完整的降压直流/直流转换器电源。通过集成限流元件、低电阻、高速N沟道MOSFET和相关的驱动电路来实现高转换器效率。高开关频率最大程度地减小了外部滤波元件的尺寸，从而实现小尺寸的解决方案。MCP16331可以在将输出电压稳压至2.0V-24V的同时，提供500 mA的连续电流。器件集成了高性能峰值电流‌模式架构，即使在电源系统中常见的输入电压阶跃和输出电流瞬变条件期间，也可以稳定地对输出电压进行稳压。EN输入用于开启和关闭器件。对于限电和负载分配应用，器件关闭时，输入端仅消耗几μA的电流。此引脚在内部上拉，因此即使EN引脚悬空，器件也仍会启动。输出电压可通过外部电阻分压器进行设置。

汽车和工业CAN市场一直要求以具有成本效益的解决方案提供更高性能、更低功耗和更大灵活性。Microchip全新系列高速CAN收发器符合高性能要求，提供了行业的低待机电流，并有多种外形尺寸小巧的器件可供选择。Microchip公司ATA6560/1收发器支持CAN FD标准和高达5Mbits/s的数据速率，为CAN协议控制器和CAN双线式物理总线提供对接接口。符合ISO11898-2、ISO11898-5和SAEJ2284标准，具备较高的电磁兼容性(EMC)和静电释放 (ESD)性能。当供电电压关闭时， ATA6560/1收发器可为CAN总线提供理想的无源性能，配有一个供电电压为3V 至5V的MCU直连接口。对于各类高速CAN网络、尤其是要求低功耗并需通过CAN总线唤醒的CAN节点而言，具备多种运行模式和专用故障安全功能的 ATA6560/1无疑是绝佳选择。低功耗CAN收发器基于先进工艺开发，能够进一步集成模拟功能和复杂的数字功能。

Microchip代理商世健公司的现场应用总监仇嘉洋表示：世健公司作为技术分销商与解决方案商，时刻关注着市场技术需求动态，通过采用Microchip公司高性能的Cortex-M0+ MCU，丰富的模拟信号链、电源和接口产品，与分流器传感器相结合，世健公司为客户提供了完整的分流器电流检测解决方案，可广泛应用于汽车和储能BMS、电动和混动汽车、工业母线电流检测和焊接设备等大电流检测的应用。