世平基于晶丰明源 MCU 和杰华特 AFE 的便携式储能 BMS 应用方案

一、方案描述

        大联大世平集团针对便携式储能的电池保护系统，推出基于晶丰明源(BPS)的 MCU-LKS32MC453 和杰华特(JOULWATT)的 AFE-JW3376 和高边驱动-JW3330 驱动方案。使用 SPI 接口实现 MCU 和 AFE 的通讯。NMOS 采用芯迈(Silicon Magic)的 SDN10N3P5B-AA 和 SDN10K018S2C。并配备一个纳芯微压力传感器 NSPGS2。此方案具有被动均衡、充放电控制、温度采集、高边保护等功能，支持：过压/欠压保护、高/低温保护、断路保护、过流保护等保护机制。

硬件设计说明： 

1. 主控

       BPS 的 LKS32MC453 MCU， 192MHz 32位CortexM4F 内核，具有丰富的 DSP指令，硬件浮点运算单元。内置高达 256KB 的 Flash 存储器，支持加密保护，最大 40KB 的 SRAM。集成了高性能模拟器件、多种 I/O 端口和丰富的外设。内置 12MHz 高精度 RC 时钟和低速 32kHz 低速时钟，可外挂 12~24MHz 外部晶振，内部 PLL 可提供最高 192MHz 主频。

• 256KB Flash，40KB SRAMB。
• 包含 3 路 14Bit SAR ADC，2 Msps 采样及转换速率。
• 包含 2 路 12bit DAC 数模转换器。
• 3 个通用 16 位 Timer、2 个通用 32 位 Timer、1 个 24bit systick 定时器。
• 2 个 I2C 接口、2 个 SPI 接口、1 路 CAN 接口和 3 路 UART 接口
• 1 路独立 DMA 引擎, 共 8 个通道, 支持 8、16、32bit 传输
• ADC 自检模块，支持开路短路检查
• 1 个 CRC 模块

2. AFE-JW3376

JW3376: 是一种 16S 电池组模拟前端 IC，主要有以下功能：

• 一个 14 位 ADC 对电池电压和温度进行采样，精度为 ±7mV，范围：3-4.3V。
• 16 位 ADC 采样充电/放电电流。
• 4 通道热敏感测，精度 ±1℃。
• 电池过压/欠压和温度保护。
• 11-16 串电池，被动均衡。
• 充电/放电过流保护、放电短路保护。
• 可靠的 SPI 通信。
• 3V LDO 输出用于外部应用。
• 外部保护 N-MOS 高驱动能力：12mA/86mA。
• 集成预充电/放电功能。
• 封装：TSSOP48。

3. JW3330

       JW3330: 是一款低功耗、100V 高边 N 沟道 MOSFET 驱动控制 IC。通过切断高压侧开关来断开电源，可以避免类似低边保护时断开系统接地线的问题发生，增强 BMS 系统的稳定性和可靠性。JW3330 可与模拟前端芯片配合使用，可以对充电和放电 FET 进行单独控制。

• 输入电压范围 2V-90V。
• 充电和放电高侧 NMOSFET 驱动器。
• 预充和预放电高压侧 NMOS FET 驱动器（仅限 TSSOP16）。
• 独立数字启用充电、放电、预充电、预放电控制。
• 外围设备少。
• 静态功耗： -正常模式：60μA typ。

                             -空闲模式：12.5μA typ。

• 高侧负载检测和充电器检测逻辑（仅限 TSSOP16）。
• 可直接与 AFE 一起使用。
• 封装：TSSOP16/SOP8（本方案用的是 TSSOP16）。

4. N-MOSFET

       充放电开关控制部分，方案的开关管 N-MOSFET 采用芯迈的 SDN10K018S2C 来做预充电、预放电，该 MOS 管的漏源电压（VDS）能够达到 100V，其连续漏电流（Id）可达 45A。当 VGS = 10V 时，RDS 为 18mΩ 。采用芯迈的 SDN10N3P5B-AA 来做充电、放电控制。该 MOS 管的漏源电压（VDS）能够达到 100V，其连续漏电流（Id）可达 120A。当 VGS = 10V 时，RDS 为 3.5mΩ 。

5. DC-DC

       DC-DC 部分，方案采用杰华特的 JWH5140F 来对 BAT+ 的电压进行降压处理，使 DC-DC 输出 5V 。JWH5140F 的特点如下：

• 工作输入范围为 6V 至 100V。
• 拥有 6A 输出电流，且内部具备软启动功能。
• 可调节开关频率。
• 在轻载下的强制连续导通模式（FCCM）。
• 支持短路保护。
• 支持高温保护。
• 封装：DFN4X-4-8。

6. LDO

       LDO 部分，方案采用杰华特的 JW7806 来对 DC-DC 的输出电压进行再一步的降压处理使 LDO 输出 3.3V 。JW7806 的特点如下：

• 输入电压范围：2V-5.5V。
• 输出电压范围：2V-4.5V。
• 输出电压精度：±2%。
• 输出电流：300mA。
• 低压差：120mV（典型值）。
• 电源抑制比（PSRR）：82dB@1kHz。
• 无需噪声旁路电容器。
• 低输出电压噪声：12 uVRMS。
• 限流保护。
• 过温保护。
• 工作温度范围：-40℃-125℃。
• 封装：SOT23-5。

7. NSPGS2

       压力检测部分，方案采用纳芯微的 NSPGS2 ,NSPGS2 系列设计用于操作压力范围为 -100kPa 至 350kPa，其特点如下：

• 0°C 至 60°C 范围内优于 ±1.5%（模拟）。
• -40°C 至 70°C 范围内优于 ±2.5%（模拟）。
• 0°C 至 60°C 范围内优于 ±1%（数字）。
• -40°C 至 70°C 范围内优于 ±2%（数字）。
• 温度范围大：-40°C ~70°C。
• 比率/绝对模拟输出。
• 24 位 I2C。
• 带空气喷嘴的 SOP 封装，易于组装。

方案原理图：

1.MCU

2.压力检测

3.JW3376

4.JW3330

5.温度检测接口电路

6.电源

7.充放电控制

8.均衡电路

PCB Layout：

TOP Layer：

BOTTOM Layer： 

软件设计说明：

PES-BMS 方案的软件架构如下图所示，包含驱动层、中间层和应用层。

        驱动层：是 MCU 的底层驱动，直接与硬件交互，控制和管理 MCU 的硬件资源。主要负责初始化、配置和管理硬件资源。PES-BMS 方案涉及到的外设包括：GPIO、SPI、UART、TIMER、ADC、FLASH、IWDG、AON 等。

       中间层：在 MCU 软件架构中扮演着重要的角色，它为上层应用提供必要的服务和功能接口，处理应用程序与硬件之间的通信‌。同时隔离系统软件与底层硬件的直接交互，从而简化了硬件的复杂性‌。包括 AFE 和 JW3376 驱动、TIMER 中断处理、Flash 的存取、LED 的开关、与 PD 面板通讯相关的串口处理等等。

       应用层：包括对 AFE 的管理和控制、充放电控制、电池异常状态的处理、SOC/SOH、用户界面（PD Panel）相关通讯协议、低功耗管理等等，确保系统与 PES-BMS 应用相关的功能正常运行。

二、参考文献

[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] 压力传感器_NSPGS2_Series_DatasheetRev2.8_EN
 

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如有更多需求，欢迎联系大联大世平集团 ATU 部门：atu.sh@wpi-group.com   作者：小梨

►场景应用图

►展示板照片

►方案方块图

►核心技术优势

1． 支持 11 ~ 16 串三元锂电池、磷酸铁锂电池

2． 电池电压采样 ADC 的精度为 14 位，测量范围在 2.3V 到 4.3V 之间测量，准确度为 ± 5mV

3． 充放电电流 ADC 的精度为 16 位，准确度： ±75µV@（-100mV~100mV）,  ±300µV@（-160mV~160mV）

4． 支持：被动均衡、过压/欠压保护、高/低温保护、断路保护、过流保护

5． 高边保护开关

6． 支持 SOC、SOH

►方案规格

1． 支持 11 ~ 16 串三元锂电池、磷酸铁锂电池

2． 电池电压采样 ADC 的精度为 14 位，测量范围在 2.3V 到 4.3V 之间测量，准确度为 ± 5mV

3． 温度采样 ADC 的精度为 14 位，准确度为 ± 1℃

4． 充放电电流 ADC 的精度为 16 位，准确度： ±75µV@（-100mV~100mV）,  ±300µV@（-160mV~160mV）

5． 支持：被动均衡、过压/欠压保护、高/低温保护、断路保护、过流保护

6． 高边保护开关 7． 支持 SOC、SOH

8． 支持串口通讯

9.   开发板尺寸 : 125 * 87 mm