ADI断线检测技术解析：从原理到应用

ADI断线检测技术解析：从原理到应用

在现代电子系统中，断线检测技术是确保系统安全和可靠运行的关键环节。作为全球领先的半导体公司，ADI（Analog Devices Inc.）在断线检测技术领域持续创新，其推出的LTC6804和ADBMS6815系列芯片，凭借先进的断线检测功能，广泛应用于电池管理系统和工业自动化系统中。

LTC6804采用电流源检测方法，其内部框图如图1所示。在多路复用器的输出端（ADC输入端），内置了可以通过开关控制的100uA的上拉与下拉电流源，可以等效看做是上拉电阻和下拉电阻。

断线检测原理如下：

1. 闭合上拉电流源开关，通过多路复用器投切对12组电压采集进行电压采集，得到12串电芯电压采样结果
2. 然后闭合下拉电流源，通过多路复用器投切对12组电压采集得到12串电压采样结果
3. 闭合上拉电源、下拉电源两次得到的结果进行相减，如果第（n+1）节电芯差值小于-400mV，则判定为Cn断线

例如，假设所有电芯电压为4V，当CELLn断线时，那么CELLΔ(n)=CELLn(上拉)-CELLn(下拉)＞400mV。这个400mV是手册推荐的，ΔV大了可能检测不到断线，ΔV小了又容易误判，这个值应经过系统验证以确保可靠性。

ADBMS6815采用电压检测方法，其原理如图2所示。其前置条件包括：

• Rftr是外部过滤器电阻
• Rswon是MUX开关的开启电阻
• ADOW用于确定电流源是上拉还是下拉电流

断线检测步骤如下：

1. 首先测量电池的电压
2. 然后连接两个200µA的电流源，在C (n)灌入下拉电流源同时在C（n-1）灌上拉电流源，经过时间Tsoak后再次进行灌电流操作（Tsoak是根据诊断电流（200µA）和外部滤波器电容来决定的，要是外部放的电流比较大的话，需要适当加长该时间），两个测量值之间的差异存储在单元格诊断寄存器组中

无断线故障时，当C (n)和C（n-1）都没有断线时，Cvow结果名义上在2×200µA×（Rftr + Rswon）左右，例如，对于Rftr = 100 Ω和Rswon = 200 Ω，当C (n)和C（n-1）灌入电流时，电池n电压被测量到降低了120 mV。

有断线故障时，如果C (n)或C（n-1）中的任何一个断线，则当诊断电流源被激活时，CELL n电压将被压缩到接近0V。因此，CELL n上的Cvow将远远大于2×200µA×（Rftr + Rswon），允许系统通过将开路故障与为系统配置设置的故障检测阈值Vth_spf进行比较来检测开路故障。

异常场景：然而，有可能，在断线或电池被深度放电的情况下，在诊断电流源被激活时，单体电压已经在Vth_spf以下。在此条件下，CELL n上的Cvow将永远不会返回大于Vth_spf的值。在执行Cvow命令之前，系统应检查初始单元电压是否较低，防止误判为断线故障，(即合理设置Vth_spf可以在Cvow开始时电池电压的异常低)

步骤：
①配置Cvmin位以检测初始电池电压异常低的情况。
②运行Cvow命令。
③判断第一次的测量值有没有小于Cvmin设置的最小阈值。
④检测的值>Vth_spf，那么C (n)或C（n-1）是存在断线的。【Vth_spf是由系统设置的故障检测阈值。例如，为了检测大于4 kΩ，包括Rswon和Rftr，Vth_spfF可以设置为180µA×4 kΩ = 720 mV。】
⑤对于1到12路单体：
如果结果等于XXXXX，则探查到数据冗余错误（ADC自身的冗余错误）。
如果结果等于XXXXX，则1到12的电池单体电压值过低，小于设置的最小电压值。因此不可能做断线检测。这暗示一个电池处于欠压环境。
如果结果大于TBDmv，则是Cn或Cn-1断线。
如果结果小于VTH_LF，则采样芯片内部的电流源发生潜在故障
如果结果就没有错误。
注：VTH_LF的低压阈值选择范围：200uA*（Rftr+Rswon） < Vth_lf < 400uA*（Rftr+Rswon）

AD4111是一款集成了断线检测功能的24位Σ-Δ ADC，其主要特性包括：

• 支持±10V和0mA至20mA输入
• 集成模拟前端和低功耗设计
• 具有开路检测功能
• 工作温度范围为-40°C至+105°C

在工业自动化系统中，AD4111的应用场景如图3所示。其独特的开路检测功能，支持采用5V或3.3V单电源的系统级诊断，广泛应用于过程控制、PLC和DCS模块以及仪器仪表与测量等领域。

总结而言，ADI的断线检测技术通过电流源法和电压检测法，实现了对电线断点的精确检测。这些技术不仅提高了系统的安全性，还大大提升了维护效率。对于工程师而言，了解ADI的断线检测技术，有助于更好地设计和维护电子设备。