【应用】基于同步降压转换器SCT2A10的多串锂电池管理系统（BMS）应用设计

时间： 2021-05-26 来源：芯洲科技

技术问答

多串锂电池管理系统（BMS）位于电池包内部，与电池电芯组直接相连，负责监控电池芯状态，包含其电压、电流、温度等信息。同时，控制电池包与后级负载通断状态，保证锂电池包在安全状态下工作。

BMS一般由信号链路和电源两部分组成。信号链路部分由模拟前端AFE、NTC电阻、电流采样器完成对电池的采样监测；主控MCU负责依据电池采样监测信息进行系统控制，通讯接口通常为CAN接口负责与后端上位机通讯。电源部分包括降压DCDC转换器和功率开关管，降压DCDC负责从多串电池取输入电压转换成BMS系统内部供电电压，功率开关管职责在于依据MCU发出指令，将电池电芯与负载进行导通或者隔绝。

图1, 多串锂电池管理系统 (BMS)

SCT2A10在多串锂电池管理系统(BMS)中的应用设计

芯洲科技高输入电压范围，同步降压转换器SCT2A10为多串锂电池管理系统提供完整、高性能和高可靠性方案。SCT2A10输入电压范围为4.5V至85V、输出电压可调，输出电流为0.6A，芯片内部集成了功率MOSFET管，导通电阻分别为上管800mΩ，下管500mΩ。采用COT谷值电流控制模式，内部集成回路补偿并减少外围器件数量，为用户简化了设计并降低了整机成本。SCT2A10的封装为ESOP-8，提供良好的散热。该芯片具备输出电压过压保护，开关谷值电流限制和过热保护，为实际应用中的安全性提供多重保障。

图2, SCT2A10 BMS电源设计架构

下面以常见的12串锂电池管理系统(BMS)为例，详细解释SCT2A10设计具体步骤。图3是SCT2A10典型应用原理图。

图3，12V输出原理图

设计目标参数

1) 输出电压设置

SCT2A10通过配置分压反馈电阻桥来设置输出电压，输出电压与分压反馈电阻桥的配置关系

R_5=(12V/0.8V-1)*R_6 (1)

针对12V输出电压：

R_5=(12V/0.8V-1)*R_6 (2)

R5 R6只需要满足公式（2）的比例关系既可以完成输出12V的设置。但是由于该分压电阻桥与12V输出直接相连，支路通过电流为：

I=12/(R_5+R_6) (3)

因此，分压电阻桥等效阻值过小，会导致支路通过电流偏大，影响整体转换效率；等效阻值过大，支路通过电流过小易遭受干扰，导致整体电路工作不稳定。推荐R6选择10K~30K之间常见阻值，这里选用20K。

R6=20KΩ，R6=280KΩ

为了增强系统抗噪声能力和负载动态响应速度，建议在分压电阻桥与FB管脚之间加入一个2K电阻R4，与R5并联一颗前馈电容C8 100p，

R6=20KΩ，R5=280KΩ，R4=2KΩ，C8=100p

2) 频率设置

SCT2A10频率设置通过RT管脚对地接入频率设置电阻完成，频率设置电阻值和频率的关系如下：

5KΩ=fsw(KHz) (4)

针对500KHz fsw, R5=500KΩ，选取E-96常见电阻表中常见阻值：R5=499KΩ

3) 电感选择

在做电感选择的时候需要考虑很多因素，包括电感量，饱和电流，均方根电流，直流寄生电阻等，这些因素通常互相制约。例如，较大的电感量带来较小的电感电流纹波，提供较小的输出电压纹波，但是较大的电感量通常电感体积大、饱和电流小和直流寄生电阻大为代价。所以经验上电感的选择从确定电感电流纹波（ILPP）为切入点,ILPP通常选输出最大电流的20~50%的经验值。

电感量L选择：

L=(V_OUT*(V_IN-V_OUT))/(V_IN*I_LPP*f_SW) （5）

由于电感电流纹波随输入电压变化，通常使用最大输入电压来确定最小电感量，以此来确定电感量的下线。公式如下：

L_MIN=V_OUT/(f_SW*LIR*I_(OUT(max)) )*(1-V_OUT/V_(IN(max)) ) (6)

因此：

V_OUT=12V,V_IN(MAX)=72V, LIR=40%,IOUT_MAX==600mA, fsw=500kHz

根据公式（6）：L_MIN=83uH

在电感额定电流和电感饱和电流，尤其是电感饱和电流选择时，一定要选择饱和电流大于电路输出峰值电流(ILPEAK)，同时也要大于输出均方根电流(ILRMS)。

I_LPEAK=I_(OUT_MAX)+I_LPP/2 (7)

I_LRMS=√(〖(I_(OUT_MAX))〗^2+1/12*〖〖(I〗_LPP)〗^2) (8)

SCT2A10采用谷底电流检测方式，其过流保护0.8A为谷点电流。在做电感额定电流和饱和电流选择的时候，通常以过流保护点为最大输出电流。

由此计算得 ILPEAK=0.96A，ILRMS=0.805A。本设计推荐WE 7447709820，电感量82μH，额定电流2.75A，饱和电流3.4A。

4) 输出电容选择

输出电容值决定电路静态输出电压纹波和动态响应性能。静态输出电压纹波由两种原因造成：一是电感纹波电流通过输出电容等效寄生电阻（ESR）；另一个是电感纹波电流对输出电容进行充电和放电。陶瓷电容ESR很小，因此在陶瓷电容为输出电容的电路中，静态输出电压纹波主要由上述第二种原因造成。

C_OUT=(V_OUT*(V_IN-V_OUT))/(8*〖f_SW〗^2*L*∆V_OUT*V_IN) (9)

同时为了保证100mV动态响应性能，推荐2x22μF X5R电容，同时留足够的额定电压裕度。推荐WE 885012109014，电容量22μF，额定电压25V。

C6=C7=2 X 22μF

输入电容值决定输入电压稳定性，输入电容值与输入电压纹波的关系如下：

C_IN=I_OUT/(f_SW*∆V_IN )*V_OUT/V_IN*(1-V_OUT/V_IN ) (10)

当Vin=2VOUT=24V时，输入电压纹波最大。同时，∆VIN=0.5%VIN，计算得：

CIN=4.16μF，取接近值：

C1=2x2.2μF，推荐WE 885012209071，电容量2.2μF，额定电压100V。

降压DCDC输入侧由于位于功率管前端，在功率管不断开关下处于非连续工作状态，建议加入一个0.1μF高频电容，放置在离输入管脚越近越好。

C2=0.1μF，推荐WE 885012207128，电容量0.1μF，额定电压100V。

6) 自举电容选择

自举电容C4位于SW管脚和BST管脚直接，用于产生上功率管驱动电压。

C4=0.1μF，X7R陶瓷电容

7) UVLO电阻桥选择

UVLO电阻桥用于设置系统启动和关断电压，通常系统启动电压高于系统关断电压，二者电压差称为迟滞电压。系统启动和关断电压与UVLO电阻桥的关系如下：

R_1=(V_Start(V_ENF/V_ENR)-V_Stop)/(I_1 (1-V_ENF/V_ENR)+I_2 ) (11)

R_2=(R_1×V_ENF)/(V_Stop-V_ENF+R_1 (I_1+I_2 ) ) (12)

其中：

• VStart为系统启动电压36V，即VIN=Vstart，电路启动

• VStop为系统启动电压30V，即VIN=Vstop，电路关断

• I1=1uA

• I2=3uA

• VENR=1.21V

• VENF=1.05V

R1=395.778KΩ,R2=14.354 KΩ。根据E-96电阻表，选择相近电阻值：R1=392KΩ,R2=14.3 KΩ

如果没有调节启动和关断电压阈值要求，可以R1=100KΩ, R2 悬空。

完整设计原理图如下图4：

图4，12V输出，完整设计原理图

PCB版图注意事项

良好的PCB 版图是保证电路稳定、高效工作的关键。PCB板上的寄生电感、寄生电容很容易在高速开关的电流或者电压通路上产生噪声。请按照下面的Layout指南进行布线：

1) 功率地布线非常关键。黄金规则是最小阻抗布线和功率均匀散开布线。尽可能在表层保留最够大的GND铺铜，散热焊盘处开窗且留有足够多的对底层过孔（推荐不少于6个过孔，孔内径推荐8mil），底层地铺铜尽量不要有割线。

2) 输入电容（尤其是0.1uF输入电容）放置在VIN和GND管脚尽可能近的位置，推荐使用0805封装。

3) 输出电压铺铜与地铺铜留足够空间，推荐20mil以上间隙，防止高压爬电现象。

4) 输出电感放置与SW PIN脚越近越好。表层SW回路需要最小阻抗。

5) 反馈电阻桥R4，R5，R6，C8放置位置离FB管脚尽可能近,且应当连接到模拟小信号地上，该模拟小信号地为独立地区域，单点与GND脚相连。

6) R3离RT管脚尽可能近。

7) C4建议在顶层走线，离SW和BST管脚尽可能近，推荐线宽10mil。

测试结果

测试条件：Vin=48V, Vout=12V

图 5,输出纹波， Iout=600mA

图6, 输出动态响应(0.07A-0.53A, SR=250mA/μs)

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