世平基于晶豐明源MCU和杰華特AFE的便攜式儲(chǔ)能BMS應(yīng)用方案

大聯(lián)大世平集團(tuán)針對(duì)便攜式儲(chǔ)能的電池保護(hù)系統(tǒng)，推出基于晶豐明源(BPS)的 MCU-LKS32MC453 和杰華特(JOULWATT)的 AFE-JW3376 和高邊驅(qū)動(dòng)-JW3330 驅(qū)動(dòng)方案。使用 SPI 接口實(shí)現(xiàn) MCU 和 AFE 的通訊。NMOS 采用芯邁(Silicon Magic)的 SDN10N3P5B-AA 和 SDN10K018S2C。并配備一個(gè)納芯微壓力傳感器 NSPGS2。此方案具有被動(dòng)均衡、充放電控制、溫度采集、高邊保護(hù)等功能，支持：過(guò)壓/欠壓保護(hù)、高/低溫保護(hù)、斷路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等保護(hù)機(jī)制。

硬件設(shè)計(jì)說(shuō)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(diǎn)運(yùn)算單元。內(nèi)置高達(dá) 256KB 的 Flash 存儲(chǔ)器，支持加密保護(hù)，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(shè)。內(nèi)置 12MHz 高精度 RC 時(shí)鐘和低速 32kHz 低速時(shí)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(gè)通用 16 位 Timer、2 個(gè)通用 32 位 Timer、1 個(gè) 24bit systick 定時(shí)器。

• 2 個(gè) I2C 接口、2 個(gè) SPI 接口、1 路 CAN 接口和 3 路 UART 接口

• 1 路獨(dú)立 DMA 引擎, 共 8 個(gè)通道, 支持 8、16、32bit 傳輸

• ADC 自檢模塊，支持開(kāi)路短路檢查

• 1 個(gè) CRC 模塊

1. AFE-JW3376

JW3376: 是一種 16S 電池組模擬前端 IC，主要有以下功能：

• 一個(gè) 14 位 ADC 對(duì)電池電壓和溫度進(jìn)行采樣，精度為 ±7mV，范圍：3-4.3V。

• 16 位 ADC 采樣充電/放電電流。

• 4 通道熱敏感測(cè)，精度 ±1℃。

• 電池過(guò)壓/欠壓和溫度保護(hù)。

• 11-16 串電池，被動(dòng)均衡。

• 充電/放電過(guò)流保護(hù)、放電短路保護(hù)。

• 可靠的 SPI 通信。

• 3V LDO 輸出用于外部應(yīng)用。

• 外部保護(hù) N-MOS 高驅(qū)動(dòng)能力：12mA/86mA。

• 集成預(yù)充電/放電功能。

• 封裝：TSSOP48。

1. JW3330

       JW3330: 是一款低功耗、100V 高邊 N 溝道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)控制 IC。通過(guò)切斷高壓側(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)電源，可以避免類似低邊保護(hù)時(shí)斷開(kāi)系統(tǒng)接地線的問(wèn)題發(fā)生，增強(qiáng) BMS 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。JW3330 可與模擬前端芯片配合使用，可以對(duì)充電和放電 FET 進(jìn)行單獨(dú)控制。

• 輸入電壓范圍 2V-90V。

• 充電和放電高側(cè) NMOSFET 驅(qū)動(dòng)器。

• 預(yù)充和預(yù)放電高壓側(cè) NMOS FET 驅(qū)動(dòng)器（僅限 TSSOP16）。

• 獨(dú)立數(shù)字啟用充電、放電、預(yù)充電、預(yù)放電控制。

• 外圍設(shè)備少。

• 靜態(tài)功耗： -正常模式：60μA typ。

                             -空閑模式：12.5μA typ。

• 高側(cè)負(fù)載檢測(cè)和充電器檢測(cè)邏輯（僅限 TSSOP16）。

• 可直接與 AFE 一起使用。

• 封裝：TSSOP16/SOP8（本方案用的是 TSSOP16）。

1. N-MOSFET

       充放電開(kāi)關(guān)控制部分，方案的開(kāi)關(guān)管 N-MOSFET 采用芯邁的 SDN10K018S2C 來(lái)做預(yù)充電、預(yù)放電，該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達(dá)到 100V，其連續(xù)漏電流（Id）可達(dá) 45A。當(dāng) VGS = 10V 時(shí)，RDS 為 18mΩ 。采用芯邁的 SDN10N3P5B-AA 來(lái)做充電、放電控制。該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達(dá)到 100V，其連續(xù)漏電流（Id）可達(dá) 120A。當(dāng) VGS = 10V 時(shí)，RDS 為 3.5mΩ 。

1. DC-DC

       DC-DC 部分，方案采用杰華特的 JWH5140F 來(lái)對(duì) BAT+ 的電壓進(jìn)行降壓處理，使 DC-DC 輸出 5V 。JWH5140F 的特點(diǎn)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(dòng)功能。

• 可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。

• 在輕載下的強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM）。

• 支持短路保護(hù)。

• 支持高溫保護(hù)。

• 封裝：DFN4X-4-8。

1. LDO

       LDO 部分，方案采用杰華特的 JW7806 來(lái)對(duì) DC-DC 的輸出電壓進(jìn)行再一步的降壓處理使 LDO 輸出 3.3V 。JW7806 的特點(diǎn)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(wú)需噪聲旁路電容器。

• 低輸出電壓噪聲：12 uVRMS。

• 限流保護(hù)。

• 過(guò)溫保護(hù)。

• 工作溫度范圍：-40℃-125℃。

• 封裝：SOT23-5。

1. NSPGS2

       壓力檢測(cè)部分，方案采用納芯微的 NSPGS2 ,NSPGS2 系列設(shè)計(jì)用于操作壓力范圍為 -100kPa 至 350kPa，其特點(diǎn)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）。

• 溫度范圍大：-40°C ~70°C。

• 比率/絕對(duì)模擬輸出。

• 24 位 I2C。

• 帶空氣噴嘴的 SOP 封裝，易于組裝。

方案原理圖：

1.MCU

2.壓力檢測(cè)

3.JW3376

4.JW3330

5.溫度檢測(cè)接口電路

6.電源

7.充放電控制

8.均衡電路

PCB Layout：

TOP Layer：

BOTTOM Layer：

 

軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明：

PES-BMS 方案的軟件架構(gòu)如下圖所示，包含驅(qū)動(dòng)層、中間層和應(yīng)用層。

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

       中間層：在 MCU 軟件架構(gòu)中扮演著重要的角色，它為上層應(yīng)用提供必要的服務(wù)和功能接口，處理應(yīng)用程序與硬件之間的通信?。同時(shí)隔離系統(tǒng)軟件與底層硬件的直接交互，從而簡(jiǎn)化了硬件的復(fù)雜性?。包括 AFE 和 JW3376 驅(qū)動(dòng)、TIMER 中斷處理、Flash 的存取、LED 的開(kāi)關(guān)、與 PD 面板通訊相關(guān)的串口處理等等。

       應(yīng)用層：包括對(duì) 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(guān)通訊協(xié)議、低功耗管理等等，確保系統(tǒng)與 PES-BMS 應(yīng)用相關(guān)的功能正常運(yùn)行。


二、參考文獻(xiàn)

[1] LKS32MC45x_DS_v1.54

[2] JW3376_Datasheet_R0.8_EN_20231009

[3] JW3330_Datasheet_R0.8_EN_20231016

[4] DS_SDN10N3P5B-AA

[5] DS_SDN10K018S2C_EN_Rev1.1_20210722

[6] JW7806_Datasheet_R0.1_EN_20230727

[7] JWH5140&JWH5140F_Datasheet_R0.23_EN_20230613

[8] 壓力傳感器_NSPGS2_Series_DatasheetRev2.8_EN