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原文传递面向新能源汽车电池监控与管理系统芯片的关键技术研究

论文题名：	面向新能源汽车电池监控与管理系统芯片的关键技术研究
关键词：	电池监控与管理系统;新能源汽车;芯片设计
摘要：	利用电气化技术来解决碳平衡问题是当今社会应对环保及能源危机问题的主要手段，新能源汽车技术则是其中实现可持续发展的核心之一，其也引发了全世界的重点关注。电池管理系统(BatteryManagementSystem，BMS)在新能源各个领域（特别是新能源汽车领域）都有较为广阔的市场需求及发展前景，BMS是保障新能源汽车性能和可靠性的关键。电池监控与管理系统芯片(BatteryMonitoringIntegratedCircuit，BMIC)主要应用于BMS中，针对动力电池单元的各类数据进行的精确采集，从而保证锂电池的健康状态，提高整体可靠性及电池寿命。但该类芯片的核心技术目前仍由国外高端集成电路设计公司掌握，国内针对该领域尚存在技术空白。因此，本文对高精度电池监控与管理系统芯片的关键技术进行研究，分析其体系结构及模块组成，主要对高压集成电路设计技术，高精度、低温漂电压基准源技术，高压多通道电池单元采集技术以及高抗干扰堆叠式菊花链级联技术进行研究，提出了高精度的16通道电池监控和管理系统芯片。针对芯片内的各个模块，所取得的主要成果为: 　　1.实现了一个电源管理模块用于为芯片内的其余模块提供电源电压和电流偏置。该电路输入电压范围为8～80V，可分别提供5V和3.3V的电源电压，同时具有过流保护和过温保护功能。当输入电压从8V变化至80V的过程中，5V的输出电压变化了33mV，线性调整率为0.47mV/V，而稳压器的静态电流只从6μA变化至16μA。当负载电流从1mA升高至5mA的过程中，5V的输出电压变化了60mV，而3.3V的输出电压变化了11mV。随着负载电流继续升高至9mA，过流保护启动，电源关闭。　　2.提出了两种用于BMIC的高精度高阶曲率补偿带隙电压基准电路。第一种基准电路在一阶温度补偿的基础上，利用基极电流的指数特性和双极晶体管的基极之间的电阻来执行对于基准电压的初步校正，并通过亚阈值工作的MOS电流的曲率特性，在高温和低温区域实现分段曲率补偿，从而进一步提升高阶温度补偿效果，实现了一个在-40至130℃的温度范围内的具有4.6ppm/℃的高阶曲率补偿带隙基准电压电路。当输入电压从4.2V变化至6.0V，线性调整率为0.31mV/V。为了保证流片后的输出电压温度系数和大小，还内置了两个4位的修调结构。第二种基准电路利用具有不同大小和温度特性的集电极电流会使BJT对之间的△VEB出现更大的非线性，在△VEB的生成中额外引入了高阶曲率补偿，使其它呈现出与VEB互补的高阶温度效应，实现了一个在-40至105℃的温度范围内具有2.9ppm/℃的高阶曲率补偿带隙基准电压电路，非精确度约为±0.14％(带隙基准电压的最大值和最小值之间的差值为3.4mV)。当电源电压从4.0V增加到6.0V时，带隙基准电压的最小变化为0.48mV，线性调整率为0.04％/V。　　3.提出了16通道的高压高精度多路采集结构，其中设计了16通道多路复用器和多路复用驱动结构来控制高压开关，以避免静态电流影响测量精度。同时，为了保证测量精度采用16位的增量型Sigma-Delta结构实现采集。　　4.基于SPI通信协议和曼彻斯特编码协议，提出了一种两线式的菊花链接口电路来代替传统四线式电流模接口电路，改善了电路的抗干扰能力，提高了芯片的可靠性及应用范围。　　本文提出的BMIC芯片在0.18μm的高压BCD工艺下设计而成，整体尺寸为3.0mm×3.0mm，采用CQFP-64封装。为了能够更好的对芯片进行测试与验证，还为BMIC专门设计了上位机程序和子母座测试PCB电路板。本文相关研究成果为BMIC的设计提供了系统性的说明，并积累了一定的设计经验，为之后的工作奠定了基础。
作者：	朱光前
专业：	电子科学与技术；微电子学与固体电子学
导师：	杨银堂
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安电子科技大学
学位年度：	2021