世平基于晶豐明源 MCU 和 AFE 的便攜式儲能 48V BMS 應用方案

核心技術優(yōu)勢/方案詳細規(guī)格/產(chǎn)品實體圖/PCB/方塊圖Datasheet/測試報告/Gerber/Schematics/User manual +一鍵獲取

一、方案描述

大聯(lián)大世平集團針對便攜式儲能的電池保護系統(tǒng)，推出基于晶豐明源(BPS)的MCU LKS32MC453 和 AFE BM81710H 的 48V 高邊 BMS 方案。NMOS 采用芯邁(Silicon Magic)的 SDN10N3P5B-AA。PMOS 采用華潤微（Crmicro）的 CRTM900P10LQ。方案還配備一個納芯微的氣體壓力傳感器 NSPGS2。此方案具有電芯電壓采集、電流采集、溫度采集、被動均衡、充放電控制、高邊開關、充放電同口等功能特點，支持：過壓/欠壓保護、高/低溫保護、斷路保護、過流保護等保護機制。

二、硬件設計說明

1. 主控

BPS 的 LKS32MC453 MCU， 192MHz 32位CortexM4F 內(nèi)核，具有豐富的DSP指令，硬件浮點運算單元。內(nèi)置高達256KB的Flash存儲器，支持加密保護，最大40KB的SRAM。集成了高性能模擬器件、多種I/O端口和豐富的外設。內(nèi)置12MHz高精度RC時鐘和低速32kHz 低速時鐘，可外掛12~24MHz外部晶振，內(nèi)部PLL可提供最高 192MHz 主頻。

• 256KB Flash，40KB SRAMB。
• 包含 3路14Bit SAR ADC，2 Msps采樣及轉(zhuǎn)換速率。
• 包含 2路12bit DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
• 3個通用16位Timer、2個通用32位Timer、1個24bit systick 定時器。
• 2 個 I2C 接口、2 個 SPI 接口、1路 CAN 接口和 3路 UART 接口
• 1路獨立DMA引擎, 共8個通道, 支持8、16、32bit傳輸
• ADC自檢模塊，支持開路短路檢查
• 1個CRC模塊

2. AFE-BM81710H

BM81710H 是一款高集成高精度鋰電池監(jiān)控及全方位的安全保護芯片，且具有高邊NMOS 充放電管驅(qū)動控制，適用于10-17 串三元鋰或磷酸鐵鋰等多種電池包應用。主要有以下功能特點：

• 支持 10~17 串電池；
• 輸入電壓：5V~95V；
• 電池電壓采集 ADC：14-bit/16-bitΔΣ ，精度：±5mV@2~4.25V/25℃；
• 4 路溫度檢測 ADC：14-bit/16-bitΔΣ ，精度：±1℃@-40℃~85℃；
• 母線電流采集 ADC：16-bit ΔΣ ，精度：±20uV@±5mV/25℃， ±50uV@±200mV/25℃， ±150uV@±200mV/(-40 ℃ ~85℃) ；
• 帶庫侖計， 精度：±5%uVh，范圍： ±291271uVh ；
• 支持充電、放電的高邊 NMOS 管控制；
• 支持預充電、預放電的高邊 PMOS 管控制；
• 通過 400kHz I2C 總線與 MCU 通訊，CRC-8 校驗；
• 支持過流保護、過壓/欠壓保護、短路保護、高/低溫度保護；
• 支持斷線檢測、負載和充電器接入檢測；
• 支持 0V 禁充保護；
• 支持被動的硬件自主控制均衡和軟件控制均衡；
• 支持外部 ECTRL 管腳控制放電管；
• 支持電子鎖；
• 耗電參數(shù)：130uA @full power mode/25℃ ，
• 60uA @Normal sleep mode/25℃，
• 10uA @deep sleep mode/25℃ ，1uA @shunt down mode/25℃ ；
• 工作環(huán)境溫度：-40~125℃
• 封裝：LQFP-48。

3. N-MOSFET

充放電開關控制部分，方案的開關管 N-MOSFET 采用芯邁的 SDN10N3P5B-AA 來做充電、放電控制開關。該 MOS 管的漏源電壓（V_DS）能夠達到 100V，其連續(xù)漏電流（I_D）可達 120A@25℃，113A@100℃。當 V_GS?= 10V 時，R_DS(on)?的最大值為 3.5mΩ。體二極管正向壓降為 0.9V 左右。

4. P-MOSFET

預充放電開關控制部分，方案的開關管 P-MOSFET 采用華潤微的 CRTM900P10LQ 來做預充電、預放電控制開關。該 MOS 管的漏源電壓（V_DS）能夠達到 -100V，其連續(xù)漏電流（I_D）可達 -17A@25℃，-12A@100℃。當 V_GS?= 10V 時，R_DS(on)?的典型值為 74mΩ 。體二極管正向壓降為 0.9V 左右。

5. DC-DC

DC-DC 部分，方案采用杰華特的 JWH5140F 來對 BAT+ 的電壓進行降壓處理，使 DC-DC 輸出 6V 。JWH5140F 的特點如下：

• 工作輸入范圍為 6V 至 100V。
• 擁有6A 輸出電流，且內(nèi)部具備軟啟動功能。
• 可調(diào)節(jié)開關頻率。
• 在輕載下的強制連續(xù)導通模式（FCCM）。
• 支持短路保護。
• 支持高溫保護。
• 封裝：DFN4X-4-8。

6. LDO

LDO 部分，方案采用杰華特的 JW7806 來對 DC-DC 的輸出電壓進行再一步的降壓處理使 LDO 輸出 3.3V 。JW7806 的特點如下：

• 輸入電壓范圍：2V-5.5V。
• 輸出電壓范圍：2V-4.5V。
• 輸出電壓精度：±2%。
• 輸出電流：300mA。
• 低壓差：120mV（典型值）。
• 電源抑制比（PSRR）：82dB@1kHz。
• 無需噪聲旁路電容器。
• 低輸出電壓噪聲：12 uVRMS。
• 限流保護。
• 過溫保護。
• 工作溫度范圍：-40℃-125℃。
• 封裝：SOT23-5。

7. NSPGS2

壓力檢測部分，方案采用納芯微的 NSPGS2 ,NSPGS2系列設計用于操作壓力范圍為-100kPa至350kPa，其特點如下：

• 0°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±1.5%（模擬）。
• -40°C 至 70°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±2.5%（模擬）。
• 0°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±1%（數(shù)字）。
• -40°C 至 70°C 范圍內(nèi)優(yōu)于 ±2%（數(shù)字）。
• 溫度范圍：-40°C ~70°C。
• 比率/絕對模擬輸出。
• 24 位 I2C。
• 帶空氣噴嘴的 SOP 封裝，易于組裝。

三、方案原理圖

1.MCU

2.壓力檢測

3.BM81710H

4.電源

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5.充放電控制

6.均衡電路

PCB Layout：
TOP Layer：

BOTTOM Layer：

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四、軟件設計說明

PES-BMS 方案的軟件架構如下圖所示，包含驅(qū)動層、中間層和應用層。

驅(qū)動層：是 MCU 的底層驅(qū)動，直接與硬件交互，控制和管理 MCU 的硬件資源。主要負責初始化、配置和管理硬件資源。PES-BMS 方案涉及到的外設包括：GPIO、SPI、UART、TIMER、ADC、FLASH、IWDG、AON 等。

中間層：在 MCU 軟件架構中扮演著重要的角色，它為上層應用提供必要的服務和功能接口，處理應用程序與硬件之間的通信?。同時隔離系統(tǒng)軟件與底層硬件的直接交互，從而簡化了硬件的復雜性?。包括AFE 和 BM81710H 驅(qū)動、TIMER 中斷處理、Flash 的存取、LED 的開關、與 PD 面板通訊相關的串口處理等等。

應用層：包括對 AFE 的管理和控制、充放電控制、電池異常狀態(tài)的處理、SOC/SOH、用戶界面（PD Panel）相關通訊協(xié)議、低功耗管理等等，確保系統(tǒng)與 PES-BMS 應用相關的功能正常運行。