瑞萨电子BFE IC ISL9421上的GPIO可配置用于低压侧FET控制，轻松扩展电池前端工作电压范围
在由MCU和电池前端(BFE)控制的电池组中，GPIO可以作为备选的保护FET(一般使用低压侧FET)控制路径。用例包括 (1)通过关闭高压侧充电泵，将电池IC的上限电压范围延伸至更高的电压；(2)仅进行少量BOM更改，改变高压侧解决方案的用途，作为低压侧解决方案。瑞萨电子采用ISL94216器件的解决方案可作为低压侧GPIO控制解决方案的模型；但在本篇文章中，用于低压侧GPIO控制的技术和原理通常也适用于带GPIO的电池IC（例如ISL94216）以及带GPIO的电池组MCU（例如RL78）。ISL94216 BFE提供位设置，可将控制逻辑从高压侧FET引脚切换至内置GPIO，从而显著简化低压侧控制的采用。
BFE器件（例如ISL94216或ISL94212）定期检查电池状态和工作环境，以防止灾难性故障，当这些器件与MCU结合使用时，可以延长电池寿命。为了管理电池组状态，内部模数转换器(ADC)提供对电池组参数的精确监控， 通常包括电池电压、温度和负载电流。此外，BFE通常支持通信协议，这让客户能够在电池管理解决方案中连接MCU，以控制GPIO或监控电池状态。
ISL94216是一款16单元BFE IC，它是任何电池管理系统(BMS)的必备组件, ISL94216是针对高压侧和低压侧FET控制设计的。ISL94216数据手册侧重于高压侧控制；但是，通过简单的配置设置，ISL94216可以无缝支持低压侧功率 FET控制，同时保留所有控制逻辑、固件和外设支持电路。本白皮书提供在低压侧电池应用中使用ISL94216的指南。 在此类应用中，低压侧控制还有另外一个好处，即最大电压可扩展至67.2V。在禁用充电泵的情况下，低压侧配置让ISL94216能够在更高的最高电池组电压下工作。
标准锂离子电池的最高电压约为4.2V。最高工作电压额定值为67.2V，支持16个电池单元串联的应用。图1显示了 ISL94216在电池组中的使用，针对低压侧应用配置。
图 1. 基于低压侧功率FET控制的ISL94216配置示例
功能概述
ISL94216默认配置包括高压侧FET控制，在上电复位(POR)或复位后，该器件可以轻松重新配置为由MCU进行低压侧控制（如下文所述）。图1显示了推荐的低压侧FET配置，它的工作方式如下：启动时，器件处于低功耗模式下， 没有连接负载或充电器，CFET和DFET都处于关断状态。在Pack+和Pack-引脚之间连接负载时，LDMON引脚通过方 框1中的电路激活，触发负载存在检测电路，并设置ISL94216负载PRESI位（寄存器0x64），它可以唤醒ISL94216 并将模式更改为闲置。转换至闲置模式时会向MCU发出负载检测信号。有多种不同的固件实施选项，可向MCU发出信号启动栅极控制，其中一个选项是让MCU使用发向FETSON引脚的信号。接下来，MCU通过EN_VREG信号，启动方 框4中显示的栅级驱动器VREG。该稳压器为栅极驱动电压供电，后者由方框5中的FET驱动器控制。从ISL94216通 过GPIO2发出信号时，FET驱动器可启用DFET。下文将对这些方框进行详细说明。
负载检测(1)
在高压侧FET配置中，LDMON引脚必须拉低到1.2V以下，以便设置LD PRESI位。在低压侧应用中，当连接负载时， PACK-引脚拉向PACK+，即负载检测电路的相反极性。白色方框(1)中的电路可以反转极性，因此负载在低压侧功率FET应用中是可检测的。
使用带有电阻分压器的NMOS会反转负载检测的逻辑极性。为了连接到NMOS漏极，该电路重新调整了ISL94216负载检测内部上拉电阻的用途。该电路适用于1MΩ的下拉电阻；此1 MΩ和33kΩ的RGS电阻可检测15kΩ或更小的负载。在充电器检测方面，ISL94216依赖MCU。
低压侧工作的GPIO设置(2)
ISL94216是为高压侧和低压侧FET控制而设计的。要完成从高压侧到低压侧FET控制的内部更改，只需进行GPIO配置设计。低压侧FET控制使用ISL94216的GPIO引脚。将GPIO配置位0x12.[5:4]设置为功率FET栅极驱动输出(B11)。此设置可将GPIO2关联到DFET状态，将GPIO3关联到CFET状态。这些状态取决于位0x24.1 DFET EN和0x24.0 CFET EN（在 数据手册的“0x24.1 DFET EN”和“0x24.0 CFET EN”部分），其他设置和故障在数据手册的“CFET和DFET引脚（50， 51)”部分中进行了说明。DFET和CFET状态与DFET和CFET引脚的预期行为一致，但这些状态不取决于充电泵（在低压 侧模式下禁用）；因此，虽然高压侧DFET和CFET引脚为关断状态，但当0x24.7 CPMP EN位（数据手册的“0x24.7 CPMP EN”部分）为0和/或0x65.5 CPMP NRDY位（数据手册“0x65.5 CPMP NRDY”部分）为1时，状态可能为开（低）。
引脚GPIO2和GPIO3的Hi-Z引脚状态与等同于禁用DFET和/或CFET。当器件处于节电和低功耗模式下时，DFET和CFET 引脚处于HI-Z状态。控制功率FET的所有故障也控制引脚GPIO2和GPIO3。例如，对于高压侧应用，电线开路检测自 动关断功率FET。对于低压侧应用，出现电线开路故障时，功率FET GPIO引脚设置为HI-Z状态。
“故障！找不到基准源。”将GPIO输出引脚（3，2，0）的逻辑状态定义为GPIO1输入、器件模式、内部DFET和CFET使 能位的函数。
表1：FET输出模式下的GPIO引脚
GPIO1配置为FET关断数字输入引脚。该引脚让MCU能够关断功率FET，而无需从MCU到设备的串行通信。如果逻辑输入处于高电平状态，则DFET和CFET GPIO引脚以及高压侧DFET和CFET引脚（如果使能）均关断。如果逻辑输入处于低电平状态，DFET和CFET状态将传递到GPIO2和GPIO3。选择此配置前，通过将相应的使能位设置为0以禁用CFET和 DFET；接下来，将0x3C写入寄存器0x12。
GPIO0配置为FET开启数字输出引脚。CFET和DFET均关断时，引脚的输出为低电平状态。如果CFET和DFET GPIO输 出之一或两者为开，則为高阻抗。
MCU(3)
与在高压侧应用中相同，ISL94216连接到MCU，以提供完整的电池管理解决方案。MCU负责寄存器配置、读取数据寄存器、超驰控制，以及外部通信等其他功能。就功能和成本而言，MCU的理想选择包括瑞萨的16位RL78系列和32 位RX系列。通常，ISL94216提供了全面的前端电池解决方案，因此在选择MCU时不需要考虑前端功能。支持高压侧 FET解决方案的大多数固件可在低压侧FET应用中运行，只需事先指定少量更新，即可实现GPIO FET控制。
功率FET驱动器的VREG(4)
方框4中的稳压器提供了CFET、DFET和FET驱动器需要的栅级驱动电压。稳压器输入端连接到VPACK，以防止加载单独的电池单元，导致电池单元失配。稳压器供电給驱动电路（在本例中，使用ISL89411的12V稳压输出）以开启和关断功率FET。可为MCU供电的替代PMIC是可编程降压转换器RAA212832，带两个LDO输出。稳压器通过来自MCU
的负载或充电器检测信号激活。
功率FET驱动器(5)
方框5包含ISL89411双FET驱动器，设计用于提供12V栅极电压以及4.5V至19V工作电压。齐纳二极管连接到DRV2， 可在连接负载时保护驱动器输出引脚。应选择齐纳电压高于最大电池电压的齐纳二极管。应将串联栅极电阻（未显示）添加到CFET和DFET栅极连接，在选择栅极电阻时，应考虑到所有的上升/下降时间要求。
CFET和DFET电路(6)
方框6显示了MOSFET以及相关的驱动和保护电路。低压侧的CFET和DFET的顺序与在高压侧配置中相反，CFET与Pack 引脚（Pack-为低压侧）相邻。由于CFET在Pack-端子上，在负载连接时CFET可能暴露在更高的电压下；因此，必须在FET栅源间使用齐纳二极管或其他保护电路，以确保栅源电压不会超过MOSFET最大栅极电压额定值。
总结
ISL94216上的GPIO可配置用于低压侧FET控制，轻松扩展电池前端工作电压范围。
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应用方案 发布时间 : 2022-01-19
凹凸科技全集成智能锂电池管理芯片OZ93510，内建高精度前端，支持3~10串电池管理（BMS）系统
随着生活消费需求的不断提高，对产品的智能化要求也越来越高，对电池包的要求也更多元化，需要其更加智能和灵活。O2Micro推出的OZ93510是一颗全集成的智能锂电池管理芯片，支持3~10S电池包，内建高精度的前端，ARM Cortex M0 MCU，库仑计，支持两路电流独立采样和保护，支持多种通信总线，满足了各种智能方案的需求。
产品 发布时间 : 2024-01-14
【应用】基于国民技术高集成低功耗N32系列MCU，打造高效安全的BMS电池管理与储能应用
BMS的各种复杂控制功能实现，离不开高性能MCU主控芯片的参与。国民技术N32系列MCU以其高性能、高集成、高可靠、低功耗、安全等优势特性，广泛用于BMS电池管理与储能等应用领域，其应用场景十分丰富。
应用方案 发布时间 : 2022-10-28
鹏申科技电池管理芯片PB5108集成了AFE和MCU，采用车规级BCD工艺设计，可由客户编程
PB5108为集成AFE和MCU的电池管理芯片，可支持各类锂电池/钠电池的5~10串电芯应用，提供高稳定度的数据采集，以及相关的保护功能。单节电芯电压测量范围0-5V，适用于大多数锂电池。采用车规级BCD工艺设计，可以由客户编程，组成电池组管理系统BMS。
产品 发布时间 : 2024-02-29
【应用】国民技术N32G031K8L7、N32G455VEL7、N32G031系列MCU进入户外储能领域
小米户外电源中使用三颗国民技术的MCU，用于机内直流与MPPT功能模块的控制。国民技术N32系列MCU产品经过快速发展，已形成16个产品序列，超100款量产型号，产品规划覆盖CortexM0、M4、M7等32位全线产品。
应用方案 发布时间 : 2022-11-01
【应用】国产车规级MCU APM32F103RCT7用于一体式智能BMS电池管理系统，工作主频96MHz
极海半导体智能电池管理系统应用方案，支持实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息，可配合外部设备如整车控制器交换信息，解决电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题，有效延长电池使用寿命，提高电池能源的利用率。采用 APM32F103RCT7系列车规级MCU
应用方案 发布时间 : 2022-09-18
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