前言
當(dāng)前時(shí)代，得益于AI大模型的興起，機(jī)器人的發(fā)展正逐漸加速，機(jī)器人電池包作為供能系統(tǒng)的核心部件，其性能和安全性直接影響著整個(gè)機(jī)器人的工作效率和可靠性。機(jī)械臂、AMR等多類型機(jī)器人都具有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)任務(wù)場景，這對電池管理系統(tǒng)有著一定的要求。而在電池包的管理和監(jiān)控過程中，AFE芯片（模擬前端芯片）具備精準(zhǔn)的信號處理能力，是機(jī)器人電池包設(shè)計(jì)的核心器件之一。
AFE芯片
AFE 芯片的核心使命在于實(shí)現(xiàn)模擬信號與數(shù)字世界的無縫銜接。在機(jī)器人電池包中，它通過多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）實(shí)時(shí)采集每節(jié)電芯的電壓、溫度及充放電電流等關(guān)鍵參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為可被微控制器（MCU）處理的數(shù)字信號。這一過程不僅需要極高的精度（通常達(dá)到 12-16 位 ADC 分辨率），還需應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾需求。
機(jī)器人應(yīng)用場景的特殊性，決定了 AFE 芯片不可或缺的角色。其一，多串電芯的均衡管理是電池包設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。AFE 芯片大多通過被動(dòng)均衡技術(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整電芯間的電荷分布，避免因單體差異導(dǎo)致的容量衰減，延長電池組整體壽命。其二，安全保護(hù)機(jī)制至關(guān)重要。當(dāng)檢測到過壓、欠壓、過溫或短路等異常狀態(tài)時(shí)，AFE 可通過硬件電路快速切斷充放電回路，并觸發(fā)警報(bào)，為機(jī)器人提供毫秒級的安全響應(yīng)。其三，數(shù)據(jù)交互的高效性直接影響系統(tǒng)性能。部分 AFE 芯片采用菊花鏈通信架構(gòu)，支持多模塊級聯(lián)，大幅簡化了電池包內(nèi)部的布線復(fù)雜度，同時(shí)通過 SPI 或 I2C 協(xié)議與主控制器實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
具體型號配置信息如上表所示，接下來通過其中幾款芯片型號來介紹該系列芯片的優(yōu)勢。
以下排名不分先后，按企業(yè)英文首字母順序排序。
CellWise 賽微微電
賽微CW1573
CW1573是一款高精度的模擬前端芯片(AFE)，適用于3~7串鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鋰聚合物以及鈉離子電池包。CW1573為電池包提供高精度的電壓、電流以及溫度采樣，支持I2C通訊，并集成了過充、過放、過電流以及溫度保護(hù)主動(dòng)保護(hù)硬件功能，內(nèi)置均衡功能。芯片同時(shí)支持電流庫侖積分，配合MCU使用，可以為客戶提供實(shí)時(shí)電壓、電流、溫度、電池容量信息以及更加個(gè)性化的保護(hù)功能，特別適用于吸塵器、電動(dòng)工具、戶外電源等產(chǎn)品應(yīng)用。
ICM創(chuàng)芯微
創(chuàng)芯微CM2056
CM2056 系列是一款高集成度的用于 3 - 5 節(jié)鋰電池檢測的模擬前端（AFE）芯片，采用高壓工藝，輸入最高 40V 。它能協(xié)同外部 MCU 對鋰電池組進(jìn)行過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)等一系列動(dòng)作，支持 3 - 5 節(jié)串聯(lián)鋰電池組的各類應(yīng)用。該芯片可將每節(jié)電池的電壓狀態(tài)和電池組的電流狀態(tài)傳輸給外部協(xié)同的 MCU ，MCU 據(jù)此判斷電池組狀態(tài)并反饋信號，芯片通過 CO、DO 控制引腳去開關(guān)充放電 MOS 以實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。
CM2056 具備電壓檢測功能，可檢測鋰電池組中每個(gè)電芯的電壓，支持磷酸鐵鋰和碳酸鋰電芯，單個(gè)電芯檢測范圍 1.5 - 4.5V ，精度達(dá) ±15 mV ；電流檢測方面，能檢測整個(gè)鋰電池組的充放電電流，采樣增益 5/10/20/40 倍可選，采樣精度 ±2.5 mV@5 倍增益 。還內(nèi)置短路保護(hù)，支持3.3V/5V 的 LDO 輸出，輸出電流 3 mA ，通訊方式為 I2C ，正常工作模式功耗 70 μA ，休眠模式 8 μA ，采用 SSOP24 封裝，適用于電動(dòng)工具、吸塵器、充電寶等使用鋰電池組的設(shè)備 。
創(chuàng)芯微CM2076
CM2076 系列是一款專為6至7節(jié)鋰電池組檢測設(shè)計(jì)的高集成模擬前端（AFE）芯片，具備電壓、電流檢測以及過充、過放、過流、短路等多重保護(hù)功能。芯片內(nèi)置高壓LDO、3.3V/5V電壓輸出，可為MCU或ADC模塊供電，并通過I2C接口與MCU通訊，實(shí)現(xiàn)電池電壓電流采樣與保護(hù)狀態(tài)反饋。其CO、DO引腳可用于控制外部放電MOS管，有效執(zhí)行保護(hù)操作。此外，芯片支持通過外部ADC讀取CM2056輸出，實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。
該芯片采用高壓工藝，支持輸入電壓最高達(dá)40V，適配6至7串鋰電池連接，電壓檢測精度達(dá)±15 mV，電流采樣倍率多檔可選，具備優(yōu)異的電氣性能和系統(tǒng)兼容性。其低功耗設(shè)計(jì)在正常工作時(shí)電流僅70 μA，休眠模式下為8 μA，CM2076采用SSOP24封裝，適用于電動(dòng)工具、吸塵器、掃地機(jī)等多種便攜或高功率電池設(shè)備。
創(chuàng)芯微CM2086
CM2086 系列是一款集成度高、適用于8節(jié)鋰電池檢測的模擬前端芯片（AFE），具備電壓、電流檢測功能，并支持對電池組進(jìn)行過充、過放、過流、短路等多重保護(hù)。芯片可實(shí)時(shí)監(jiān)測各電芯電壓及電流狀態(tài)，并通過CTLC、CTLD引腳輸出狀態(tài)信號至MCU，結(jié)合CO、DO控制信號實(shí)現(xiàn)對外部MOS的保護(hù)控制。內(nèi)部集成高精度LDO，提供3.3V或5V電源輸出，可為MCU或ADC模塊供電，系統(tǒng)通過外部ADC讀取CM2056輸出電壓信號，判斷電池狀態(tài)并控制保護(hù)動(dòng)作，從而構(gòu)建出靈活且高可靠性的電池管理系統(tǒng)。
該芯片支持最多8串鋰電芯接入，單芯電壓檢測范圍為1.5V至4.5V，檢測精度達(dá)±15mV，具備5/10/20/40倍可調(diào)電流采樣倍率和±2.5mV@5倍增益的采樣精度，電壓參考范圍涵蓋50至400mV多個(gè)檔位，適應(yīng)多樣化應(yīng)用需求。芯片具備低功耗特性，在正常工作模式下電流僅為70μA，休眠模式更低至8μA。CM2086采用SSOP24封裝非常適合應(yīng)用于電動(dòng)工具、吸塵器、掃地機(jī)、充電寶及其他便攜式或大功率鋰電設(shè)備。
INJOINIC英集芯
英集芯IP3281
IP3281 是一款低功耗電池組保護(hù)器，用于10~16 節(jié)串聯(lián)鋰離子/聚合物可充電電池的初級保護(hù)的解決方案。該產(chǎn)品集成了聚合物可充電電池安全運(yùn)行所需的一整套的電壓、電流和溫度所有檢測和保護(hù)。保護(hù)閾值和延時(shí)均為出廠編程設(shè)定，有多種配置可供選用，采用TSSOP30封裝。
JoulWatt杰華特
杰華特JW33708
JW33708是一款多電池堆的監(jiān)測和保護(hù)芯片，芯片耐壓60V，支持4-8串電池應(yīng)用，可為每個(gè)電池提供被動(dòng)均衡功能，支持最多3個(gè)連續(xù)電池同時(shí)放電。JW33708可用于電池電壓和溫度感知的14位ADC，電壓精度達(dá)10mV，以及用于充放電電流感知的16位ADC，電流精度達(dá)75μV。
多個(gè)JW33708可以串聯(lián)使用，可通過SPI接口與外部控制單元通信，集成了預(yù)充電和預(yù)放電驅(qū)動(dòng)器，支持睡眠模式，電流較小時(shí)可實(shí)現(xiàn)高效率低功耗，采用NMOS驅(qū)動(dòng)，并具有多種保護(hù)機(jī)制，采用TSSOP38封裝。
杰華特JW3370
JW3370是一款多電池堆的監(jiān)測和保護(hù)芯片，芯片耐壓60V，支持4-10串電池應(yīng)用，可為每個(gè)電池提供被動(dòng)均衡功能，支持最多3個(gè)連續(xù)電池同時(shí)放電。JW3370可用于電池電壓和溫度感知的14位ADC，電壓精度達(dá)10mV，以及用于充放電電流感知的16位ADC，電流精度達(dá)75μV。
多個(gè)JW3370可以串聯(lián)使用，可通過SPI接口與外部控制單元通信，集成了預(yù)充電和預(yù)放電驅(qū)動(dòng)器，支持睡眠模式，電流較小時(shí)可實(shí)現(xiàn)高效率低功耗，采用NMOS驅(qū)動(dòng)，并具有多種保護(hù)機(jī)制，采用TSSOP38封裝。
杰華特JW3323A
JW3323A是一款高度集成、低成本的保護(hù)和監(jiān)控芯片，適用于6-13串聯(lián)電池應(yīng)用，集成了12位ADC，用于高精度電壓檢測，電壓精度達(dá)15mV。并集成了保護(hù)和延遲電路，用于故障事件包括過充、過放、短路、斷路、過溫等。
外部控制單元通過I2C接口與JW3323A通信，方便用戶監(jiān)測每個(gè)串聯(lián)電池組的狀態(tài)，特別是鋰離子可充電電池組。JW3323A還提供包括斷線檢測、奇偶動(dòng)態(tài)平衡、引腳故障檢測、內(nèi)部過溫保護(hù)和充電許可等保護(hù)機(jī)制，以增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。
為了提升易用性，JW3323A支持電子鎖功能以獨(dú)立控制放電，提供GPS引腳以啟用GPS應(yīng)用，還提供警報(bào)引腳用于電池故障警報(bào)以及DOCT引腳用于釋放部分電池故障，采用30-Pin TSSOP封裝。
PENG SHEN TECH鵬申科技
鵬申P(guān)B7200
PB7200是鵬申科技AFE芯片產(chǎn)品PB7系中的一員，支持5-20串電芯應(yīng)用，工作電壓范圍在12至95V，單節(jié)電芯單元電壓測量范圍為0-5V，可用于執(zhí)行電池組的測量、保護(hù)和均衡功能，適用于大多數(shù)鋰、鈉電池。
該芯片還內(nèi)置VADC模塊用于電壓、溫度和電流測量；內(nèi)置CADC模塊用于采集電流，用于庫侖計(jì)方式的高精度SOC計(jì)量，同時(shí)提供4個(gè)充放電MOS控制引腳。
BMU單板內(nèi)部的AFE模塊通過電容隔離的菊花鏈級聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)，而單板之間則通過變壓器隔離的菊花鏈級聯(lián)，有效保證了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許最大配置為1個(gè)基礎(chǔ)單元加上31個(gè)擴(kuò)展單元。Stack1通過線束連接到控制板上的AFE0(Base)，AFE0與MCU之間通過串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，有效簡化了布線并提高了系統(tǒng)可靠性。此外，系統(tǒng)還配備了用于驅(qū)動(dòng)光耦的ACT_CTR，用于控制各Stack AFE的ACT引腳，以實(shí)現(xiàn)shutdown模式的進(jìn)入或AFE的硬復(fù)位，為系統(tǒng)維護(hù)和故障恢復(fù)提供了重要保障。
PB7200的功耗極低，同時(shí)鵬申科技AFE產(chǎn)品具備高效的自動(dòng)調(diào)度功能，能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測量和實(shí)時(shí)保護(hù)，通過中斷通知MCU，有效節(jié)省資源和降低功耗，同時(shí)在低功耗模式下保持關(guān)鍵保護(hù)功能，并能自動(dòng)檢測并響應(yīng)電流變化和充電器插入，實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能狀態(tài)。
充電頭網(wǎng)也拿到了這款芯片的方案demo，以上為實(shí)物展示。
PB7200采用LQFP80封裝，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)工具、通信、家庭和風(fēng)光儲(chǔ)能等 5~20 串鋰電芯 BMS 系統(tǒng)中。
鵬申P(guān)B7170
PB7170同樣是鵬申科技AFE芯片產(chǎn)品PB7系中的一員，支持5至17串電芯應(yīng)用，工作電壓范圍在12至88V，單節(jié)電芯單元電壓測量范圍為0-5V，可用于執(zhí)行電池組的測量、保護(hù)和均衡功能，適用于大多數(shù)鋰電池。
該芯片配備VADC模塊，專門用于精確測量電壓、溫度和電流；同時(shí)，CADC模塊能夠進(jìn)行高精度的電流采集，適用于庫侖計(jì)方式的SOC計(jì)量。此外，該芯片還提供3個(gè)充放電MOS控制引腳，支持高達(dá)100mA的單通道均衡電流，并能實(shí)現(xiàn)多單元均衡的同時(shí)啟動(dòng)，滿足多種智能均衡策略的需求。
PB7170的功耗極低，提供多種低功耗睡眠模式，可根據(jù)不同使用場景采用不同的模式，并能自動(dòng)檢測并響應(yīng)電流變化和充電器插入，在睡眠模式下也能保持極快的喚醒速度并保持極低的功耗，實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能狀態(tài)。
同時(shí)鵬申科技AFE產(chǎn)品具備高效的自動(dòng)調(diào)度功能，能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測量和實(shí)時(shí)保護(hù)，通過中斷通知MCU，有效節(jié)省資源和降低功耗。
充電頭網(wǎng)同樣也拿到了這款芯片的方案demo，以上為實(shí)物展示。
PB7170采用LQFP64封裝，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)工具、通信、家庭和風(fēng)光儲(chǔ)能等 5~17 串鋰電芯 BMS 系統(tǒng)中。
鵬申P(guān)B5100
PB5100是鵬申科技AFE芯片產(chǎn)品PB5系中的一員，支持4-10串電芯應(yīng)用，工作電壓范圍在6至55V，單節(jié)電芯單元電壓測量范圍為0-5V，可用于執(zhí)行電池組的測量、保護(hù)和均衡功能，適用于大多數(shù)鋰/鈉電池。
該芯片配備VADC模塊，專門用于精確測量電壓、溫度和電流；同時(shí)，CADC模塊能夠進(jìn)行高精度的電流采集，適用于庫侖計(jì)方式的SOC計(jì)量。此外，該芯片還提供4個(gè)充放電MOS控制引腳，支持多單元均衡的同時(shí)啟動(dòng)，滿足多種智能均衡策略的需求。
與PB7系不同，PB5100采用QFN32(QFP32)封裝，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、便攜儲(chǔ)能、家用電器的供電系統(tǒng)之中。
1、電池管理智能化，鵬申科技AFE芯片的高效能解決方案
充電頭網(wǎng)總結(jié)
在新能源技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，電池作為能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的核心部件，其重要性不言而喻。鋰電池因具有優(yōu)越的性能，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車、移動(dòng)設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域的首選。而隨著鋰電池應(yīng)用的廣泛，其安全性問題也日益凸顯。電池管理系統(tǒng)（BMS）作為確保電池安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，其發(fā)展對于提升電池性能和保障用戶安全至關(guān)重要。
本文詳細(xì)介紹了包括賽微微電、鵬申科技、英集芯、杰華特等公司的AFE芯片產(chǎn)品，這些產(chǎn)品以高精度的監(jiān)測、優(yōu)化和保護(hù)功能，為電池組的安全運(yùn)行和最大化使用壽命提供了有力保障。通過這些AFE芯片，可以看到電池管理系統(tǒng)正朝著更智能、更高效、更安全的方向發(fā)展。
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