引言

　　想想那句稱為“墨菲定律”的古老格言：“凡是可能出錯的事情均會出錯。”。在過去50年中，基于電子組件的系統得到了充分發展，已經能夠以非凡的高可靠性提供非常先進的監視和控制功能。擔心可靠性一般是因為對人的生命有潛在危險，緊隨其后的原因是故障導致的高額損失和產品用戶對滿意度的下降。不過，事物從來都不是完美的，因此總是需要不斷地提高可靠性，以產生安全、耐久的電子系統。

　　當系統可靠性必須保證而別無選擇時，較好但也較昂貴的方法是，使用完全冗余的電路。完全一樣的電路同時執行相同的功能，而且對執行結果進行某種形式的表決以始終產生較安全的效果。在很多這類系統中，如果檢測到有故障的電路，那么就自動去掉該電路，并用一個相同的備份電路代替。對于長期可靠運行來說，這是理想的拓撲。另一方面，故障的后果并不總能證明完全冗余導致的高額費用是合理的。這類系統只是依靠所使用的每一個組件固有的可靠性。單個組件故障可能嚴重毀壞系統或永久損害準確度。具有這種性質的設計假定存在大量風險，但是能以較低成本實現。

　　就高度可靠的系統而言，居于中間的方法是故障監視，采用這種方法時，電路監視各種不同的系統組件，并報告任何異常現象。由于在電路中的任何位置隨時都有可能發生任何事情，因此被監視的元件越多越好。對于檢測到的故障所做出的反應會是多種多樣的，從系統完全停機 (例如：火車上的常閉式緊急停車開關) 到某種簡單的服務報警 (類似于汽車中儀表板上的“傻瓜燈”) 等等。

　　本文將闡述如何通過使用 LTC6801 故障監視 IC，提高一種高壓鋰離子電池組的長期可靠性。在電動型汽車、不中斷電源、醫療儀器甚至電動工具等應用中，用電池作電源是一種持續不斷的發展趨勢，這些應用每種都有不同程度的可靠性預期。

長壽命電池電源面臨的挑戰

　　對于電動車和大量其它類型的便攜式設備來說，電池已經成為一種主要的非傳統能源。鋰離子電池非常受歡迎，因為與具有相同能量密度的其它化學組成的電池相比，鋰離子電池的能量密度允許鋰離子電池組更小、更輕。對于大功率應用來說，如電動型汽車，需要疊置數百個電池以形成一個高壓電源，這種電源產生更小的電流，可使用更細和重量更輕的導線。在這類汽車應用中，駕駛員的安全是第一位的，接下來是車主的滿意度。因此，實現安全可靠的長期運行有顯而易見的理由。為達到這個目的，每節電池的電量都必須得到持續監視，以在多年使用的情況下保持較佳水平。

　　在較簡單的情況下，要求電路測量電池組中每節電池的電壓。這種測量一般是由一個 AD 轉換器執行的，AD 轉換器將信息傳遞給一個微控制器。該控制器細致地管理所有電池的充電和放電，這樣電池工作時就不會超出一個嚴格的范圍，而超出這個范圍可能極大地縮短電池壽命。面對一個系統中可能有數百個單個電池的情況，一種集成式測量電路可以極大地節省組件數。凌力爾特公司提供的 LTC6802 就是這樣一種集成式功能構件。通過一個內置的 12 位 ADC，它可以測量和報告多達 12 節電池以及兩個溫度傳感器上的電壓。任何數量的電池都可以相互疊置，所測得的每一組（由 12 個電池組成）電壓串行傳送到一個主微控制器。這些測量器件和控制器形成了電池管理系統的核心。

　　對于延長電池的可用壽命來說，仔細控制每節電池的充電狀態是極其重要的，但是這也許還不足以讓要求越來越高的汽車客戶滿意。就敏感電子產品而言，汽車展現了一種嚴酷和危險的運行環境。要想無憂無慮地獲得長久滿意，對系統進行“假設”分析是必要的。幾個要考慮的問題也許是：

　　如果連接電池的一條導線斷開了會怎么樣？
　　如果電壓測量準確度偏移會怎么樣？
　　如果內部寄存器位保持某個數值不變，總是指示一個良好的電池電壓讀數，會怎么樣？
　　如果測量 IC 不知怎么被嚴重的系統電壓瞬態損壞了，會怎么樣？

　　潛伏較深的問題可能使控制器錯誤地確定，一節電池或一個電池組處于完美狀態，而事實是，電池或電池組未以正確方法測量。之后，這些電池可能完全放電或被危險地過沖電，而系統卻一點兒都沒意識到。需要某個東西來“監視監視器”，以實現更高水平的可靠運行。

用 LTC6801 進行電池管理系統 (BMS) 的故障監視

　　一種可替代完全冗余測量方法的方案是，將故障監視電路與測量器件并聯，以起到復核系統基本功能的作用。圖 1 電路顯示對一個由 12 個鋰離子電池組成的電池組實施的這種方案，該方案使用一個 LTC6802 測量器件和一個伴隨的 LTC6801 故障監視器件。

圖 1：結合電池測量與故障檢測，以提高可靠性。

      LTC6802 提供準確的測量，而 LTC6801 檢查每節電池的過壓/欠壓狀態。通過按照指令測量和報告每節電池的電壓，并將放電電流加到電池上以分配每節電池的電量，LTC6802-1 成為該系統中的主要電子組件。數據通過 SPI 串行數據鏈路傳送到控制器。同時，LTC6801 還監視電池組中的每節電池。不用系統控制器的干預，LTC6801 就能周期性地對每節電池的電壓采樣，并執行簡單的欠壓和過壓比較。如果所有情況都正常，那么 LTC6801 就在狀態輸出 (Status Output) 線上提供一個差分時鐘信號。如果有任何事情不正確，那么這個時鐘就停止。至于問題的本質，LTC6801 不提供任何信息，因為它只是指示某件事不正確。這個時鐘一旦停止，那么控制器就可以執行診斷程序，以確定出現了什么問題。

遠不止于一個簡單的比較器

　　LTC6801 的設計仔細考慮了很多潛在的系統故障，同時還具有易用性。一個重要的設計要求是，允許該器件自動運作，而無需任何軟件。惟一的外部需求是電源 (由電池組本身提供) 和一個使能時鐘信號。沒有使能時鐘輸入，LTC6801 就停留在一種靜態低功率狀態，僅從電池組抽取幾 uA 的電流。該使能時鐘可以由系統控制器或任何其它振蕩源 (諸如 LTC6906 硅振蕩器) 提供。一接收到時鐘信號，該器件就自動喚醒并開始監視所有電池。

圖 2：LTC6801 的內部電路提供的不僅是簡單的比較器功能

　　REGULATOR：穩壓器
　　MUX：多工器
　　REFERENCE：基準
　　SELF TEST REFERENCE：自測試基準
　　DIGITAL COMPARATORS：數字比較器
　　DECODER：解碼器
　　UV/OV FLAGS AND CONTROL LOGIC：UV/OV標記和控制邏輯
　　“GOOD”：“良好”

　　圖 2 是 LTC6801 基本組件的方框圖。一個 12 位增量累加 AD 轉換器 (ADC) 對多達 12 節電池以及兩個溫度傳感器的電壓進行濾波和數字化。一個 5V 的穩壓器和一個精確微調的 3V ADC 電壓基準是內置的。器件全部工作特性的設定都由將器件引腳搭接到 5V 穩壓器、3V 基準或 V- 來實現。無需外部組件。

圖 3：電池電壓報警門限的選擇是通過引腳搭接設定的。

      Cell Voltage Thresholds：電池電壓門限
　　Cell Voltage：電池電壓
　　Pin Strap Programming Voltage Combinations：引腳搭接設定電壓組合

　　圖 3 繪出的是可設定的過壓和欠壓門限范圍。選擇過壓 (OV) 門限是為了使用具有3.3V 標稱電壓和 4.2V 告警電平的鋰離子電池，而欠壓 (UV) 門限對電池電量耗盡提供一個合理的指示。OV 和 UV 門限由不同的引腳設定，因此任何組合都有可能。OV 和 UV 電平必須設定，以在不是太接近正常電池電壓時，就可指示某件事可能出錯了，否則有可能引起故障檢測電路出現討厭的跳變。

　　還有可能給這些門限設定高達 500mV 的固定遲滯。當檢測到的故障觸發的動作有可能引起電池上的電壓變化時，如立即斷開負載與電池組的連接，設定固定遲滯很有用。遲滯可以防止跳進和跳出故障狀態。

　　另外兩個可以通過引腳搭接設定的功能是，電池檢查的重復率以及所連接的電池數量。所有 12 節電池以及溫度輸入都可以每隔 15ms、130ms 或 500ms 檢查一次。較小的占空比導致從電池組抽取的電源電流較小。電池數量可以在 4 節到 12 節之間設定。這確保只對實際連接的電池進行故障檢測。

　　可以將任意數目的 LTC6801 彼此堆疊起來，以監視非常高電壓系統中數百個單獨的電池，見圖 4。啟用時鐘被緩沖，兩條信號線上的輸出連接到電池組中下一個較高端器件的使能輸入。啟用時鐘蜿蜒地進出每個器件，一直到電池組的頂端。同樣，每個器件非常重要的狀態輸出時鐘向下傳遞至電池組中下一個較低端器件的狀態輸入引腳。狀態時鐘的頻率與啟用時鐘相同，并可位于 2kHz 至 50kHz 之間。如果任何時間在任何電池組的任何地方檢測到任何故障，則負責監視受損電池的器件的狀態時鐘將停止電平變換。該靜態條件將沿著電池組向下傳播至底端器件。運用某種形式的邊緣檢測的任何器件 (例如：看門狗定時器或計數器捕獲/比較功能部件) 均可用于監視電池組中底端器件的狀態輸出線。當某個時鐘轉換被錯過時，該器件能夠產生信號以對一般性故障進行維修。

圖 4：任何數量的 LTC6801 電池監視器都可以疊置。

由于疊置的器件工作電壓不同，因此需要 AC 耦合使能和狀態信號。

　　提供一個用于狀態線的連續時鐘是一項重要的功能。使用一種靜態邏輯電平來指示所有的系統故障始終有可能在邏輯狀態中產生失效，這種失效會錯誤地指示系統一切正常。這將導致故