应用笔记 5495

MAX14921 12/16节电池高精度测量模拟前端的PCB布局指南

By: Micheal Scherrenburg

摘要 : MAX14921模拟前端(AFE)配合模/数转换器(ADC)和电压基准,构成高性能、低成本的电池(电池包)测量解决方案。为了达到最高精度,需要仔细的印刷电路板(PCB)布局。本应用笔记提供了一些设计建议,遵循这些原则能够帮助您获取最高精度的解决方案。

介绍

MAX14921为高性能、高精确度电池组测量电路。测量精度的提高对于新型磷酸铁锂电池尤其重要,因为这类电池的充放电曲线非常平坦,特别是在65%至95%满充电量的充电状态(SOC)下。优异的精度源于MAX14921独特的采样/保持架构,能够最大限度地降低电池电压采样误差和各节电池不同时采样产生的误差。
高精度特性还有赖于谨慎的电路设计,本文介绍了一些简单、有效的布板原则,帮助您获得最佳的精度指标。

降低噪声

以下与噪声相关的设计指南在现代PCB布局中的应用已经非常普及,本文给出了有关MAX14921噪声抑制方面的布局考虑事项。

旁路电容

旁路电容是重要的电路元件,集成电路(IC)正常工作基于良好的噪声滤波。为了获得最佳特性,旁路电容应尽可能靠近IC的电源引脚放置,表1列出了MAX14921的旁路电容要求。
表1. MAX14921旁路电容要求
引脚名称 引脚序号 电容值 返回端
VL 5 0.1µF DGND (6)
VA 12 1.0µF AGND (11)
VP 14 0.1µF AGND (11)
电容可以安装在IC左侧,这个区域包含了数字SPI接口、T1/T2/T3的模拟输入、模拟输出、电源引脚和一些采样电容。为了缓解局促的布板空间,可以利用MAX14921的背面区域。可以利用MAX14921下方PCB焊接层的过孔连接信号以及这个区域的电容。
保持电容与相应电源引脚之间的距离尽可能短。对于一些布局,可以把电容放在电路板背面,如果只有一个旁路电容,则将其放置在器件旁边,如第12脚(VA)的电容。
以4层板为例,下面列举了一些布局示例。在这些例子中,顶层走线是红色的,第二层是DGND(绿色),第三层是V5V(黄色),第4层是底层走线(蓝色)。首先了解VL的旁路,假设VL是3.3V。图1中,通过过孔连接第5引脚到电路板的背面,在电路板的背面(MAX14921下方)安装旁路电容C22。电容器的另一引脚通过通孔连接到PCB的第2层,DGND。
图1. MAX14921第5引脚旁路电容示例。
图1. MAX14921第5引脚旁路电容示例。
图2展示了如何连接VP旁路。类似pin5的情况,通过通孔连接IC的引脚和一个放置在背面的旁路电容。由于第13引脚的返回端是AGND,C24的另一端连接第11引脚,而非DGND平面。
图2. MAX14921引脚14旁路电容布局。
图2. MAX14921引脚14旁路电容布局。
图3可以了解到VA旁路电容的连接。按照以下说明,最好与AOUT (第10引脚)信号线平行铺设AGND (第10引脚)信号线。基于这一考虑,通常将第12引脚的旁路电容放置在MAX14921的PCB同一侧比较容易,充分利用该旁路电容。
图3. MAX14921第12引脚的旁路电容连接。
图3. MAX14921第12引脚的旁路电容连接。

ADC布线隔离

噪声管理的另一项技术是在敏感的模拟元件下方提供独立的接地平面。图4给出了ADC的独立接地平面示例,将U3和第11引脚连接到这一地平面。白色的丝印框突出显示了从左边旁路电容C20的过孔连接MAX14921的AGND与ADC的独立接地平面,该旁路电容专用于这个独立的接地平面。DGND与AGND平面的唯一连接点位于ADC独立接地平面右上方,通过白色丝印框显示。
图4. 与ADC (U3)的地平面隔离。
图4. 与ADC (U3)的地平面隔离。

AOUT与ADC之间的连接

作为整体解决方案的一部分,MAX14921 AOUT信号(第10引脚)连接到ADC输入。图5给出了较好的布线示例,AOUT引线(高亮)有一个伴随的接地(第2层,DGND)连接到R2和C25组成的RC滤波器。此外,AGND引线从第11引脚开始与AOUT信号线平行引出,提供了一个很好的RC滤波器布局。滤波器初始元件选择的合理参数是220Ω和220pF。
图5. AOUT引脚与ADC之间的连接。
图5. AOUT引脚与ADC之间的连接。

T1、T2和T3的滤波

对T1、T2和T3模拟输入进行滤波,也有助于改善性能。如果这些信号来自温度传感器,则采用RC滤波网络,比如,在电路前端放置一个1kΩ电阻和一个10nF电容,构成RC网络;或者,放置一个220Ω电阻和2.2nF电容构成RC网络。

数字信号的隔离

MAX14921只有几路数字信号,其中包括:SPI接口(SCLK、SDI、SDO和/CS)、SAMPL和EN控制(如果设计中需要使用这两个控制信号)。这些数字信号需要远离敏感的模拟输入和输出,特别是AOUT信号(引脚10)。理想情况下,把这些数字信号与模拟信号布设在不同层,但这如果采取了特别严格的隔离措施,那个要求并不绝对。

保持精度

需严格处理电路板的布局和布线,以确保电池电压精确送入ADC输入端。

电源和信号分隔

MAX14921的VP引脚为电池组接口前端供电,它直接连接到电池组正极的顶端,即CV16引脚(对于16节电池组设计)。然而,这组引线需要彼此分隔开,起点尽量靠近电池端。每节电池引线的电流都会流过VP和CV16共同连线,产生IR压降,从而导致CV16电压测量精度的下降。
VC0和AGND存在同样的问题,流过AGND的电流会在它们的共同连线部分产生IR压降,从而降低了CV0信号的准确性。正是考虑了这个原因,MAX14921的评估(EV)板上,VP和CV16分别采用了连接器的两个独立引脚;CV0和AGND也作了同样处理。

减小寄生电容

MAX14921的操作分两个阶段进行,第一阶段对采样电容充电,从而把每节电池电压采集到各个电容上;第二阶段将这些电容采集到的电压提供给ADC。在第二阶段中,任何CT_引脚的寄生电容由于电荷注入会降低电压的测量精度。
实际应用中,这意味着MAX14921于所有采样电容之间的连线要尽可能短,同样,AOUT引脚与ADC输入之间的连线也要尽可能短。由于采样电容为0805封装,保持所有引线尽可能短不是件容易的事情。
一个有效的途径是优先考虑采样电容的一端,使其尽可能靠近CT_引脚。 CB_走线势必会长些,为了对此加以补偿,在每个电容下方相应地留出独立的地平面,连接到对应的CB_引脚。从而最大限度地减少采样电容之间引线产生的寄生电容。
图6给出了一个布线示例,可以清楚地看到MAX14921采样电容在底层PCB的连接(CT14、CB14、CT13、CB13、CT12、CB12、CT11、CB11)。从图中标注可以看出,第29引脚(CT13)与其采样电容之间用短线连接,而第30引脚(CB13)的引线要长些。需要注意的是,CB13还要通过一个过孔直接连接到正下方的独立接地平面。
图6. 最大限度地减少采样电容之间的寄生电容—隐藏第3层(黄色)使图片更清晰。
图6. 最大限度地减少采样电容之间的寄生电容—隐藏第3层(黄色)使图片更清晰。

结论

本文重点介绍了改善PCB布线的几个途径,旨在帮助工程师确保MAX14921解决方案满足系统要求,将测量误差限制在1mV以内。点击这里,可以下载实际的设计案例。