一种14单元电池监测放大器（AFE），总测量误差为1毫伏，并集成了电化学阻抗谱分析功能

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A 14-Cell Battery Monitoring AFE With 1-mV Total Measurement Error and Integrated Electrochemical Impedance Spectroscopy

一种基于动态电路技术和硬件复用的14通道锂电电池包监测AFE设计，实现±1mV量程内高精度电压测量（-40℃~85℃）和0.2mΩ灵敏度电化学阻抗谱检测，通过电容耦合仪表放大器（CCIA）和时分 interleaved 自零稳态（AZS）技术提升分辨率，集成硬件复用策略使功耗降至11.5mW，采用0.18μm BCD工艺实现紧凑设计。

　　

摘要：

本文介绍了一种14电池单元的监测模拟前端（AFE），用于实现对电池组的全面诊断和控制，旨在提升性能并延长使用寿命。该AFE能够测量每个电池单元的直流电压和电化学阻抗谱（EIS），从而准确评估锂电池组的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）。通过结合动态电路技术和系统级及电路级的硬件复用策略，该设计实现了高测量精度、紧凑的体积以及更高的能效。电容耦合仪表放大器（CCIA）能够在高压（HV）共模条件下测量直流电压，并被重新用于间歇性的EIS采集。通道间的自动零点校正（AZS）方案在多个斩波稳压的CCIA之间实现纹波抑制，从而在不增加额外面积的情况下提升电压测量精度。此外，通过将增量式Δ-Σ调制器（IDSM）的抽取滤波器与斩波时钟同步并调整滤波器权重，可以在不增加额外电路的情况下进一步抑制纹波。内置的EIS功能利用被动平衡电路，通过1位Δ-Σ调制的激励电流快速进行宽带阻抗测量。该14电池单元AFE核心采用0.18微米BCD工艺制造，工作电压为5伏，功耗为11.5毫瓦，校准后的最大直流总测量误差（TME）在-40°C至85°C范围内为1毫伏。EIS的灵敏度达到0.2毫欧，带宽为2千赫。