一种高精度电池管理模拟前端芯片的制作方法

本发明涉及电池管理，具体为一种高精度电池管理模拟前端芯片。

背景技术：

1、模拟前端芯片是一种用于处理模拟信号的专用集成电路。它作为连接物理世界与数字系统的关键桥梁，负责对传感器等产生的原始模拟信号进行放大、滤波、模数转换等调理，将其转换为可供微处理器处理的数字信号。该芯片广泛应用于光模块、电池管理系统、医疗电子、汽车雷达、工业控制、音频处理等领域。

2、目前，由于电池管理模拟前端芯片在电芯电压采集过程中受温度漂移和噪声干扰的影响，无法在宽温度范围内保持高精度的同步测量，当出现测量偏差累积，会导致电池荷电状态估算失准，进而影响电池组的均衡效率和使用寿命。

3、因此，现提出一种高精度电池管理模拟前端芯片解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种高精度电池管理模拟前端芯片，解决了上述背景技术中提出的电池荷电状态估算失准，进而影响电池组的均衡效率和使用寿命的问题。

2、为实现以上目的，本发明提供如下技术方案予以实现：一种高精度电池管理模拟前端芯片，所述芯片包括：

3、高精度测量模块，用于采集电池组的电芯电压、充放电电流及多点温度数据；

4、多功能保护与控制模块，与所述高精度测量模块相连，用于基于所述采集的数据执行预设的保护策略，并生成对充放电回路的控制信号；

5、智能功耗管理模块，与所述高精度测量模块和所述多功能保护与控制模块相连，用于根据电池组的工作状态，控制芯片在高性能工作模式、低功耗空闲模式、超低功耗睡眠模式及零功耗仓储模式之间自主切换，其中所述零功耗仓储模式下芯片功耗低于1微安且所有功能模块均关闭，并通过检测vboot管脚电平超过预设阈值vboot_th且检测到充电器插入信号来实现充电器唤醒至工作模式；

6、高速通讯接口模块，用于实现芯片与外部微控制器mcu之间的数据交换与控制指令传输；

7、所述高精度测量模块包括：

8、电压模数转换器vadc，用于同步采集多串电芯的电压，其在25℃下的电芯电压测量误差为±1.5mv，在全温度范围-40℃～85℃下的电芯电压测量误差为±3.0mv；

9、电流模数转换器cadc，用于采集流经电流采样电阻的差分电压，其在输入差分电压小于4mv时的测量误差为±40μv，在输入差分电压大于4mv时的测量误差为±1%；

10、温度测量单元，用于通过内部温度传感器和外部热敏电阻接口gpio，采集芯片自身温度、电芯温度及功率场效应晶体管fet温度，测量精度为±1℃。

11、优选的，所述高精度测量模块还包括电芯电压测量通道配置单元，所述电芯电压测量通道配置单元通过配置第一寄存器conf_vcell中的vcell_use位段，以启用特定的电芯电压测量通道，当使用少于芯片最大支持串数的电芯时，未被使用的最高串数电芯的正极输入端和负极输入端在板级短接至最高可用电芯的正极输入端，且对应的vcell_use位段被设置为0，所述电芯电压测量通道配置单元通过模拟开关阵列控制各电芯采样通道的导通与隔离状态，所述模拟开关阵列受控于所述conf_vcell寄存器的vcell_use位段，当通道的vcell_use位段为1时对应的模拟开关导通将该通道接入vadc，当vcell_use位段为0时对应的模拟开关断开将该通道与vadc隔离，所述vadc的输入满摆幅为-0.3v至6.3v，其建议输入范围为-0.2v至5v，单个通道的转换时间为12.5毫秒。

12、优选的，所述多功能保护与控制模块包括：

13、电压保护子模块，用于根据预设的第一阈值寄存器ov和第一延时寄存器ov_t执行电芯过压保护，并根据预设的第二阈值寄存器uv和第二延时寄存器uv_t执行电芯欠压保护，所述过压保护和欠压保护的阈值配置步长为0.025v，延时配置范围为0.25秒至20秒；

14、电流保护子模块，用于根据预设的第三阈值寄存器occomp_vth和第三延时寄存器occ_t执行充电过流保护，根据预设的第四阈值寄存器occomp_vth和第四延时寄存器ocd_t执行放电过流保护，并根据预设的第五阈值寄存器sccomp_vth和第五延时寄存器scd_t执行放电短路保护，所述放电短路保护的延时配置范围为0微秒至468.75微秒，配置步长为31.25微秒；

15、温度保护子模块，用于根据预设的第六阈值寄存器otc、第七阈值寄存器otd、第八阈值寄存器utc、第九阈值寄存器utd、第十阈值寄存器otf及第十一阈值寄存器otic，分别执行电芯充电过温、电芯放电过温、电芯充电低温、电芯放电低温、fet过温及芯片过温保护，并为每种温度保护配置独立的恢复迟滞阈值寄存器；

16、断线检测子模块，用于通过短暂开启内部均衡开关并测量电芯通道电压的变化，以检测电芯采样线是否断线。

17、优选的，所述多功能保护与控制模块还包括高侧驱动控制单元和低侧驱动控制单元；

18、所述高侧驱动控制单元包括电荷泵、高侧充电n沟道fet驱动管脚chg、高侧放电n沟道fet驱动管脚dsg、高侧预充电p沟道fet驱动管脚pchg及高侧预放电p沟道fet驱动管脚pdsg，所述电荷泵在cp1管脚产生高于电池组总电压vbat的电压，用于驱动所述高侧充放电n沟道fet，所述dsg管脚支持一种快速关断模式，在该模式下，dsg管脚被内部快速下拉至低于电池组正极端口电压vpack的电位，以迅速关断放电fet；

19、所述低侧驱动控制单元包括低侧充电n沟道fet驱动管脚lchg、低侧放电n沟道fet驱动管脚ldsg及低侧预放电n沟道fet驱动管脚lpdsg，用于驱动位于电池组负极回路的fet。

20、优选的，所述智能功耗管理模块包括：

21、仓储模式管理单元，当芯片首次上电与接收到特定指令时，控制芯片进入仓储模式，在该模式下，芯片功耗低于1微安，且所有功能模块均处于关闭状态；

22、唤醒单元，用于在仓储模式下，通过检测vboot管脚的电平超过预设阈值vboot_th，且检测到充电器插入信号，将芯片唤醒至工作模式；

23、模式切换单元，用于在工作模式下，当未检测到充放电电流且持续预设时间后，自动切换至空闲模式，在空闲模式下，adc以间隔采样方式工作，当检测到充放电电流、充电器接入和负载接入时，自动从空闲模式切换回工作模式；

24、所述芯片支持通过spi通讯接口接收mcu指令，强制切换至仓储模式。

25、优选的，所述芯片支持5至16节电池串联应用，其极限电气参数为：芯片供电电源vbat、电芯正端电压vc1～vc16、充电器检测端口电压vpack、负载检测端口电压vld及电荷泵电压vcp1的最大耐受电压均为88伏特；其推荐工作条件为：vbat电压范围为10伏特至80伏特，工作温度范围为-40℃至85℃。

26、优选的，所述芯片还包括均衡功能模块，所述均衡功能模块支持独立均衡模式和自动均衡模式；

27、在所述独立均衡模式下，通过配置第二寄存器bal_ctrl2的cb位段选择需要均衡的电芯通道，并通过配置第三寄存器bal_ctrl1的bal_time_sel位段设定均衡持续时间，芯片将对所选通道同时开启均衡，直至达到设定时间；

28、在所述自动均衡模式下，芯片自动将所选均衡通道分为奇数组和偶数组，并按顺序执行采样-奇组均衡-采样-偶组均衡的循环操作，自动执行预设周期后停止；在均衡过程中，当发生电压、电流、温度保护事件以及看门狗定时器溢出，则立即终止均衡并上报异常标志。

29、优选的，所述高速通讯接口模块为spi通讯接口，支持全双工、四线同步传输，仅支持从机模式，并支持相位cpha和极性cpol控制；

30、一次完整的spi通讯包含32位数据：第一位为命令字节，包含1位读写标志位和7位寄存器地址，第二、三位为16位数据字节，第四位为8位循环冗余校验crc8字节；

31、所述spi通讯接口内置crc校验单元，在写操作时，硬件自动对前24位数据进行crc8计算，并与接收到的crc8字节进行比较，当一致则执行写操作，当不一致则不更新寄存器并产生错误标志；

32、所述spi通讯接口还内置时钟数检测单元，当在片选信号csb为低电平期间检测到的时钟周期数不是32的整数倍，则判定为通讯异常并产生错误标志。

33、优选的，所述芯片还包括对外供电模块，所述对外供电模块包括vreg管脚和vdrive管脚；所述vdrive管脚用于连接外部双极型晶体管bjt的基极，并提供4.0伏特的驱动电压，所述vreg管脚用于连接所述bjt的发射极，并输出3.3伏特的稳定电压，以为外部mcu供电，其最大驱动电流大于30毫安，当不使用对外供电功能时，所述vdrive管脚悬空，且外部mcu的电源需连接至所述vreg管脚。

34、优选的，所述芯片支持7至26节电池串联应用，其工作温度范围为-40℃至105℃，所述高速通讯接口模块同时支持spi通讯和iic通讯，所述芯片还支持通过mcu控制芯片驱动低边驱动预充电路，并支持1安培电流唤醒功能及实时电流采集量程切换功能，所述温度保护模块支持通过软件配置屏蔽指定通道的温度异常保护功能，且温度保护不带有硬件保护锁死机制。

35、与现有技术相比，本发明提供了一种高精度电池管理模拟前端芯片，具备以下有益效果：

36、1.本发明中，在进行电池组电芯电压采集时，通过采用高精度测量模块内的电压模数转换器、电流模数转换器和温度测量单元，能够在宽温度范围内实现同步测量，抑制温度漂移和噪声干扰对采集结果的影响，避免因测量偏差累积导致的电池荷电状态估算失准，从而保障电池组的均衡效率和使用寿命。

37、2.本发明中，在进行电池组充放电保护控制时，通过设置多功能保护与控制模块内包含电压保护子模块、电流保护子模块、温度保护子模块和断线检测子模块，并配置可独立调节的阈值寄存器和延时寄存器，实现了过压、欠压、过流、短路及温度异常的保护，同时在故障消除后能够自动恢复，避免了保护动作滞后和误触发，提升了电池管理系统运行的安全性和可靠性。

38、3.本发明中，在进行芯片功耗管理时，通过智能功耗管理模块内的仓储模式管理单元、唤醒单元和模式切换单元，使芯片能够根据电池组的工作状态在高性能工作模式、低功耗空闲模式、超低功耗睡眠模式及零功耗仓储模式之间自主切换，既保证了正常工作时的测量与保护性能，又在待机和长期离线存储时降低了能耗，满足了多场景下对电池管理系统的低功耗需求。