世平基於晶豐明源 MCU 和傑華特 AFE 的便攜式儲能 BMS 應用方案

一、方案描述

        大聯大世平集團針對便攜式儲能的電池保護系統，推出基於晶豐明源(BPS)的 MCU-LKS32MC453 和傑華特(JOULWATT)的 AFE-JW3376 和高邊驅動-JW3330 驅動方案。使用 SPI 接口實現 MCU 和 AFE 的通訊。NMOS 採用芯邁(Silicon Magic)的 SDN10N3P5B-AA 和 SDN10K018S2C。並配備一個納芯微壓力傳感器 NSPGS2。此方案具有被動均衡、充放電控制、溫度採集、高邊保護等功能，支持：過壓/欠壓保護、高/低溫保護、斷路保護、過流保護等保護機制。

硬體設計說明： 

1. 主控

       BPS 的 LKS32MC453 MCU， 192MHz 32位CortexM4F 內核，具有豐富的 DSP指令，硬體浮點運算單元。內置高達 256KB 的 Flash 存儲器，支持加密保護，最大 40KB 的 SRAM。集成了高性能模擬器件、多種 I/O 埠和豐富的外設。內置 12MHz 高精度 RC 時鐘和低速 32kHz 低速時鐘，可外掛 12~24MHz 外部晶振，內部 PLL 可提供最高 192MHz 主頻。

• 256KB Flash，40KB SRAMB。
• 包含 3 路 14Bit SAR ADC，2 Msps 採樣及轉換速率。
• 包含 2 路 12bit DAC 數模轉換器。
• 3 個通用 16 位 Timer、2 個通用 32 位 Timer、1 個 24bit systick 定時器。
• 2 個 I2C 接口、2 個 SPI 接口、1 路 CAN 接口和 3 路 UART 接口
• 1 路獨立 DMA 引擎, 共 8 個通道, 支持 8、16、32bit 傳輸
• ADC 自檢模塊，支持開路短路檢查
• 1 個 CRC 模塊

2. AFE-JW3376

JW3376: 是一種 16S 電池組模擬前端 IC，主要有以下功能：

• 一個 14 位 ADC 對電池電壓和溫度進行採樣，精度為 ±7mV，範圍：3-4.3V。
• 16 位 ADC 採樣充電/放電電流。
• 4 通道熱敏感測，精度 ±1℃。
• 電池過壓/欠壓和溫度保護。
• 11-16 串電池，被動均衡。
• 充電/放電過流保護、放電短路保護。
• 可靠的 SPI 通信。
• 3V LDO 輸出用於外部應用。
• 外部保護 N-MOS 高驅動能力：12mA/86mA。
• 集成預充電/放電功能。
• 封裝：TSSOP48。

3. JW3330

       JW3330: 是一款低功耗、100V 高邊 N 溝道 MOSFET 驅動控制 IC。通過切斷高壓側開關來斷開電源，可以避免類似低邊保護時斷開系統接地線的問題發生，增強 BMS 系統的穩定性和可靠性。JW3330 可與模擬前端晶片配合使用，可以對充電和放電 FET 進行單獨控制。

• 輸入電壓範圍 2V-90V。
• 充電和放電高側 NMOSFET 驅動器。
• 預充和預放電高壓側 NMOS FET 驅動器（僅限 TSSOP16）。
• 獨立數字啟用充電、放電、預充電、預放電控制。
• 外圍設備少。
• 靜態功耗： -正常模式：60μA typ。

                             -空閒模式：12.5μA typ。

• 高側負載檢測和充電器檢測邏輯（僅限 TSSOP16）。
• 可直接與 AFE 一起使用。
• 封裝：TSSOP16/SOP8（本方案用的是 TSSOP16）。

4. N-MOSFET

       充放電開關控制部分，方案的開關管 N-MOSFET 採用芯邁的 SDN10K018S2C 來做預充電、預放電，該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達到 100V，其連續漏電流（Id）可達 45A。當 VGS = 10V 時，RDS 為 18mΩ 。採用芯邁的 SDN10N3P5B-AA 來做充電、放電控制。該 MOS 管的漏源電壓（VDS）能夠達到 100V，其連續漏電流（Id）可達 120A。當 VGS = 10V 時，RDS 為 3.5mΩ 。

5. DC-DC

       DC-DC 部分，方案採用傑華特的 JWH5140F 來對 BAT+ 的電壓進行降壓處理，使 DC-DC 輸出 5V 。JWH5140F 的特點如下：

• 工作輸入範圍為 6V 至 100V。
• 擁有 6A 輸出電流，且內部具備軟啟動功能。
• 可調節開關頻率。
• 在輕載下的強制連續導通模式（FCCM）。
• 支持短路保護。
• 支持高溫保護。
• 封裝：DFN4X-4-8。

6. LDO

       LDO 部分，方案採用傑華特的 JW7806 來對 DC-DC 的輸出電壓進行再一步的降壓處理使 LDO 輸出 3.3V 。JW7806 的特點如下：

• 輸入電壓範圍：2V-5.5V。
• 輸出電壓範圍：2V-4.5V。
• 輸出電壓精度：±2%。
• 輸出電流：300mA。
• 低壓差：120mV（典型值）。
• 電源抑制比（PSRR）：82dB@1kHz。
• 無需噪聲旁路電容器。
• 低輸出電壓噪聲：12 uVRMS。
• 限流保護。
• 過溫保護。
• 工作溫度範圍：-40℃-125℃。
• 封裝：SOT23-5。

7. NSPGS2

       壓力檢測部分，方案採用納芯微的 NSPGS2 ,NSPGS2 系列設計用於操作壓力範圍為 -100kPa 至 350kPa，其特點如下：

• 0°C 至 60°C 範圍內優於 ±1.5%（模擬）。
• -40°C 至 70°C 範圍內優於 ±2.5%（模擬）。
• 0°C 至 60°C 範圍內優於 ±1%（數字）。
• -40°C 至 70°C 範圍內優於 ±2%（數字）。
• 溫度範圍大：-40°C ~70°C。
• 比率/絕對模擬輸出。
• 24 位 I2C。
• 帶空氣噴嘴的 SOP 封裝，易於組裝。

方案原理圖：

1.MCU

2.壓力檢測

3.JW3376

4.JW3330

5.溫度檢測接口電路

6.電源

7.充放電控制

8.均衡電路

PCB Layout：

TOP Layer：

BOTTOM Layer：

 

軟體設計說明：

PES-BMS 方案的軟體架構如下圖所示，包含驅動層、中間層和應用層。

        驅動層：是 MCU 的底層驅動，直接與硬體交互，控制和管理 MCU 的硬體資源。主要負責初始化、配置和管理硬體資源。PES-BMS 方案涉及到的外設包括：GPIO、SPI、UART、TIMER、ADC、FLASH、IWDG、AON 等。

       中間層：在 MCU 軟體架構中扮演著重要的角色，它為上層應用提供必要的服務和功能接口，處理應用程序與硬體之間的通信‌。同時隔離系統軟體與底層硬體的直接交互，從而簡化了硬體的複雜性‌。包括 AFE 和 JW3376 驅動、TIMER 中斷處理、Flash 的存取、LED 的開關、與 PD 面板通訊相關的串口處理等等。

       應用層：包括對 AFE 的管理和控制、充放電控制、電池異常狀態的處理、SOC/SOH、用戶界面（PD Panel）相關通訊協議、低功耗管理等等，確保系統與 PES-BMS 應用相關的功能正常運行。


二、參考文獻

[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] 壓力傳感器_NSPGS2_Series_DatasheetRev2.8_EN

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