基于Microchip的低成本高精度电流检测方案

BMS（Battery Management System）是连接新能源车核心部件电池与整车的桥梁。受益于新能源车的发展，作为核心部件的BMS也得到了飞速的发展。BMS根据控制的结构不同分为主从式BMS和一体机BMS。无论哪种控制结构，总电流检测是必不可少的。BMS的电流检测分为传统霍尔传感器检测方式和分流器的检测方式。经过分析，基于分流器的直接式电流采样技术的电流传感器方案成本更低、精度更高，是汽车和能源存储系统BMS应用的首选。

分流器检测方式之所以成为首选，一方面是由于其较高的测量精度和相对较低的成本，另一方面是因为它测量方法简单，使用设备少、方便快捷。其测量原理是直接测量分流器两端的电压，再根据欧姆定律，用测得的电压除以分流器的电阻值，从而得到电路中的电流值。而霍尔传感器检测方式虽然结构简单，但其测量值随温度的变化较大。为此，本文将介绍一款基于Microchip MCU、CAN接口和信号调理平台的低成本高精度的分流器检测方案，供大家参考与使用。

该方案采用了Bourns的大电流分流器CSM2F-8518-L100J32、Microchip的MCU ATSAMC21E18A、ADC MCP3421、仪表放大器MCP6N16、电压基准MCP1501以及Microchip 的CAN接口ATA6560。仪表放大器MCP6N16与电压基准MCP1501将分流器的采集信号放大和抬升，再由18-bit 内置PGA ΔΣADC MCP3421将放大的模拟信号转成数字信号，通过I2C接口传给Microchip MCU ATSAMC21E18A，然后MCU进行数据的读取、处理和标定，Microchip 的CAN接口ATA6560用于数据通讯。该方案除了用于BMS系统，还可用于电动和混动汽车、母线电流检测和焊接设备。

该分流器方案的特点：最大的工作隔离电压可以达到560V。室温下，精度可达2‰，全范围精度为5‰，电源宽范围电压输入，12V时消耗的电流小于3mA，工作温度范围-40~125 ℃，持续检测电流500A，最大冲击电流1000A（30mins on/off）。

为了方便用户的测试、标定和应用，方案同时也提供了上位机软件。通过桥接工具，用户可以直观地对分流器方案进行标定和测试应用。MCU内置Flash支持读写功能，用来模拟EEPROM的功能存储标定的数据。板上和分流器上贴有NTC温度传感器，用户可以实时的读取板上和分流器上的温度。

了解了此电流检测方案的整体特点后，我们再来逐个介绍组成此方案的核心器件各自特点。

先从此方案的MCU入手，Microchip MCU ATSAMC21E18A的特色是32 bit Cortex M0+ MCU，可以5V供电，灵活的串口外设Sercom可以任意灵活的配制成UART、SPI和I2C；内置CAN控制器支持CAN-FD，同时兼容CAN2.0 A/B。

其放大器MCP6N16具备自校正架构，可以通过超低失调、低失调漂移，以及优异的共模和电源抑制功能来最大限度地提高DC性能，同时消除1/f噪声的不良影响，从而在全温度范围实现超高的精度。MCP6N16的低功耗CMOS工艺技术在实现低功耗的同时，还可提供500 kHz的带宽。此外，它配有一个硬件使能引脚可进一步降低功耗。对于既定速度和性能而言，这种低功耗运行和停机功能需要的电流更少，因而可延长电池寿命和减少本身发热。该放大器的运行电压低至1.8V，使得两节1.5V干电池的电量消耗远比典型情况下的少，而其轨对轨输入和输出 *** 作即使是在低供电的条件下也可确保全范围使用。这使得整个运行电压范围内的性能都得到大幅提升。MCP6N16仪表放大器非常适用于需要高性能、高精度与低功耗、低电压运行兼备的应用，涵盖医疗、消费和工业市场上的传感器接口、信号调理以及固定式和便携式仪器等等。

与其他A/D转换器相比，MCP3421 特别适合需要设计简单、低功耗和节省空间的各种高精度模/ 数转换应用。其特点主要表现在：全差分输入，18位分辨率，精密的连续自校准功能；可选择3.75、15、60或240SPS采样速率进行转换；可工作在连续转换或单次转换模式，在单次转换后的空闲期内自动进入待机模式，极大的减少了电流消耗；内部集成2.048V 0.05%精度，且温度漂移仅为5ppm/℃的基准电压源，可编程增益放大器（PGA）提供1/2/4/8倍增益，允许测量极小的信号并且具有很高的分辨率，内部集成振荡器电路并提供I2C串行接口等。

Microchip混合及线性信号产品部副总裁Bryan J. Liddiard表示：“ADC市场和应用的发展需要更高分辨率、更高速度和更高精度。此外，更低的功耗和更小的封装也非常重要，我们新推出的这些产品可满足以上全部需求。”

高电压输入集成开关降压稳压器MCP16331可工作在最高50V的输入电压源下。集成的特性包括上桥臂开关、固定频率峰值电流模式控制、内部补偿、峰值电流限制和过温保护。只需最少量的外部元件，即可开发完整的降压直流/直流转换器电源。通过集成限流元件、低电阻、高速N沟道MOSFET和相关的驱动电路来实现高转换器效率。高开关频率最大程度地减小了外部滤波元件的尺寸，从而实现小尺寸的解决方案。MCP16331可以在将输出电压稳压至2.0V-24V的同时，提供500 mA的连续电流。器件集成了高性能峰值电流‌模式架构，即使在电源系统中常见的输入电压阶跃和输出电流瞬变条件期间，也可以稳定地对输出电压进行稳压。EN输入用于开启和关闭器件。对于限电和负载分配应用，器件关闭时，输入端仅消耗几μA的电流。此引脚在内部上拉，因此即使EN引脚悬空，器件也仍会启动。输出电压可通过外部电阻分压器进行设置。

汽车和工业CAN市场一直要求以具有成本效益的解决方案提供更高性能、更低功耗和更大灵活性。Microchip全新系列高速CAN收发器符合高性能要求，提供了行业的低待机电流，并有多种外形尺寸小巧的器件可供选择。Microchip公司ATA6560/1收发器支持CAN FD标准和高达5Mbits/s的数据速率，为CAN协议控制器和CAN双线式物理总线提供对接接口。符合ISO11898-2、ISO11898-5和SAEJ2284标准，具备较高的电磁兼容性（EMC）和静电释放 （ESD）性能。当供电电压关闭时， ATA6560/1收发器可为CAN总线提供理想的无源性能，配有一个供电电压为3V 至5V的MCU直连接口。对于各类高速CAN网络、尤其是要求低功耗并需通过CAN总线唤醒的CAN节点而言，具备多种运行模式和专用故障安全功能的 ATA6560/1无疑是绝佳选择。低功耗CAN收发器基于先进工艺开发，能够进一步集成模拟功能和复杂的数字功能。

Microchip代理商世健公司的现场应用总监仇嘉洋表示：世健公司作为技术分销商与解决方案商，时刻关注着市场技术需求动态，通过采用Microchip公司高性能的Cortex-M0+ MCU，丰富的模拟信号链、电源和接口产品，与分流器传感器相结合，世健公司为客户提供了完整的分流器电流检测解决方案，可广泛应用于汽车和储能BMS、电动和混动汽车、工业母线电流检测和焊接设备等大电流检测的应用。