ADS131B26Q1EVM-PDK

ADS131B26 适用于六个 ADC 通道、高压 SPI 电池包监视器的性能演示套件

本用户指南描述了 ADS131B26Q1EVM-PDK 的设计和操作。此评估模块 (EVM) 是一款适用于 ADS131B26-Q1 的评估板，ADS131B26-Q1 是一款适用于电动汽车 (EV) 电池管理系统 (BMS) 的完整模拟前端 (AFE)。该 AFE 集 成了两对同步采样、高精度、24 位模数转换器 (ADC) 通道，可以高分辨率和高精度对电池电流和电池包电压进行 冗余测量。EVM 可用于评估 ADS131B26-Q1 的各个方面。本用户指南介绍了 ADS131B26Q1EVM-PDK 的操 作。本文档中的评估板、评估模块 和 EVM 等术语指的是 ADS131B26Q1EVM-PDK。术语 PHI 控制器、PHI 和主 机 与将 EVM 连接到 PC 的精密主机接口 (PHI) 控制器板具有相同的含义。本文档包含完整的电路描述、原理图和 物料清单。

1 EVM 概览

该评估套件包含 ADS131B26Q1EVM-PDK 板和精密主机接口 (PHI) 控制器板。PHI 电路板使随附的计算机软件能够通过通用串行总线 (USB) 与 ADC 进行通信，从而进行数据采样和分析。

PHI 电路板主要提供三个功能：

• 通过 USB 端口提供 EVM 和计算机之间的通信接口

• 提供与 ADS131B26Q1EVM-PDK 通信所需的数字输入和输出信号

• 为 ADS131B26Q1EVM-PDK 板上的所有有源电路供电

1.1 ADS131B26Q1EVM-PDK 特性

ADS131B26-Q1 评估模块套件包含以下特性：

• 包含 ADS131B26-Q1 所需的所有支持电路

• USB 供电：无需外部电源

• 模数转换器 (ADC) 电压电源选项：– 直流/直流转换器输出提供 APWR 和 DPWR 电源，ADC 使用它们通过各自的集成式低压降稳压器 (LDO) 生成 AVDD 和 DVDD– 当外部电源电压介于 4V 和 16V 之间时，可以在外部提供 APWR 和 DPWR 的同时仍使用各自的集成式 LDO– 如果外部电源电压介于 3V 和 3.6V 之间，APWR 和 DPWR 可短接至相应的 LDO 输出

• 时钟选项：内部 ADC 时钟、板载 8.192MHz 晶体振荡器或带有超小型 A 版 (SMA) 连接器的外部时钟

• 端子块提供的输入信号连接到各种应用电路，进行电压、电流和温度测量

• 数字输入和输出连接到双排调试接头，用于连接到逻辑分析仪或外部控制器

• EVM GUI 包含完整的寄存器映射页面，便于进行器件配置，还包含内置的分析工具套件，其中包括示波器、FFT 和直方图显示

• 两个 16 位多路复用 ADC 通道与四个 24 位同步采样 ADC 通道配合使用，可测量指定序列中的多个单端和伪差分输入

1.2 ADS131B26Q1EVM-PDK 快速入门指南以下说明介绍了将 ADS131B26Q1EVM-PDK 连接到计算机和评估 ADS131B26-Q1 性能的分步指南：

1. 查看节 5.1中的默认跳线设置和节 5.2中的 GUI 软件安装。

2. 将 ADS131B26Q1EVM-PDK 连接到 PHI 控制器。按图 1-1 中所示安装两个螺钉。

3. 使用提供的 USB 微型电缆将 PHI 控制器连接到您的 PC。PHI 控制器上的三个 LED 亮起，表示已与 PC 连接。

a. LED D5 亮起呈纯色，表示 PHI 已通电。

b. LED D1 和 D2 开始以不同速率闪烁，表示 PHI 已启动且正在与 PC 通信。图 1-1 展示了最终的 LED 指示灯。

4. 启动 ADS131B26Q1EVM-PDK GUI 软件，然后就会向 EVM 供电。默认安装路径为 C:\Program Files 

(x86)\Texas Instruments\ADS131B26-Q1 EVM。

5. 当 GUI 加载完毕并连接到 EVM 硬件时，屏幕将如图 6-1 中所示。GUI 由多个 Pages 组成，其中包括：

• Register Map Config

• Time Domain Display

• Spectral Analysis

• Histogram Analysis

• Channel Configurations

• Sequencer Configurations

Pages 部分下面是基本 SPI 操作码命令、Data Capture Configuration 控制以及当前 Clocks and Data Rate 信息。节 6.1 详细介绍了 EVM GUI 页面和数据采集控制。

2 模拟接口

ADS131B26Q1EVM-PDK 旨在使用外部电压、电流和温度传感器输入轻松完整地评估 ADS131B26-Q1。本节详细介绍了模拟前端电路，包括不同输入测试信号的跳线配置、端子块连接器和测试点。

2.1 端子块和测试点

EVM 的模拟输入可以连接到与每个 ADC 通道相关联的任一端子块。螺钉端子块（J1 至 J5）可以直接与外部引线相连。表 2-1 列出了支持的输入选项。表 2-2 列出了关键测试点。

采用的输入不得使 ADS131B26-Q1 输入引脚的电压超过绝对最大额定值。更多详细信息，请参阅 ADS131B26Q1 数据表。

2.2 ADC1A 和 ADC1B

ADS131B26-Q1 具有两个用于电池电流采样测量的高精度 24 位 ADC 通道（ADC1A 和 ADC1B）。出于演示目的，此 EVM 在 ADC1A 和 ADC1B 上包含一个 1206 封装 100Ω 电阻器，可用作电流采样电阻（分别为 R8 和 R9）。在实际应用中，电流采样电阻使用非常小的阻值（即 50μΩ），但这对 EVM 硬件不适用。在增益 = 1 时，可向正通道输入（CPA 和 CPB）施加高达 12.5mA 的小电流，并且电流采样电阻的低边默认连接到 AGND。 图 2-1 展示了 ADC1A 的电流输入原理图。

2.3 ADC2A 和 ADC2B

ADS131B26-Q1 具有两个多路复用 16 位 ADC 通道，旨在测量采样电阻温度（借助外部温度传感器）和系统中的其他电压。出于演示目的，EVM 包含多个电阻分压比，以支持单极和双极单端和伪差分输入测量。

在分别测量 V5A 和 V6A 或者 V5B 和 V6B 时，V7A 和 V7B 信号可用作共模电压。或者，通过安装图 2-2 中所示的可选外部 VCM 电路，可以从模拟电源电压 (ADC_AVDD) 生成外部共模电压。图 2-2 展示了 ADC2A 的输入连接和电阻分压器电路。

2.4 ADC3A 和 ADC3B 

ADS131B26-Q1 具有两个用于电池组电压测量的高精度 24 位 ADC 通道（ADC3A 和 ADC3B）。出于演示目 的，EVM 包含一个电阻分压器电路，其近似比率为 1/32.5。增益 = 4 时，允许正电压测量输入端（VPA 和 VPB）上的输入电压范围为 –10V 至 10V。默认情况下，负电压测量输入端（VNA 和 VNB）连接到 AGND。图 2-3 展示了 ADC3A 的电压输入原理图。

3 数字接口

如节 1中所述，EVM 与 PHI 控制器进行交互并通过 USB 与 PC 进行通信。EVM 上有两个与 PHI 控制器通信的器件：ADS131B26-Q1（通过 SPI）和 EEPROM（通过 I2C）。EEPROM 经过预编程，包含配置和初始化 ADS131B26Q1EVM-PDK GUI 软件所需的信息。将硬件初始化后，不再使用 EEPROM。

3.1 连接到 PHI 控制器

ADS131B26Q1EVM-PDK 通过有罩的 60 引脚连接器 (J9) 与 PHI 控制器通信。J9 旁边有两个带有十字槽螺钉的圆形支架。要将 PHI 控制器连接到 EVM，请取下螺钉，将 PHI 控制器连接到 EVM，然后将螺钉装回到支架上。这些螺钉可将 EVM 固定到 PHI 并确保两块板之间的连接完整。

表 3-1 列出了不同的 PHI 连接及其功能。

3.2 数字接头 

除了 PHI 连接器，EVM 上的接头 J7 连接到 ADS131B26-Q1 和 PHI 连接器之间的数字输入和输出。每行在两个 引脚之间短接，以允许同时访问外部逻辑分析仪或示波器和外部控制器。表 3-2 列出了数字接头引脚。

3.3 时钟选项

默认情况下，ADS131B26-Q1 在上电后使用内部振荡器。内部振荡器频率 (fCLK) 的标称频率为 8.192MHz，同时作为器件内部模拟和数字电路的主时序基准。ADC 调制器频率 (fMOD) 等于时钟频率的一半 (fMOD = fCLK / 2)，并控制每个 Δ-Σ ADC 调制器内输入采样保持开关的时序。

除了内部振荡器之外，EVM 还允许用户为 ADS131B26-Q1 CLK 引脚提供外部时钟。启用外部时钟源时，用户还必须卸载 R71 并设置 DEVICE_CFG (4Ch) 位 12 = 1b。外部时钟信号可以来自：

1. 板载晶体振荡器 (Y1)，其标称频率为 8.192MHz。

2. 连接到 SMA 连接器 (J10) 的外部时钟源。在 EVM 上使用任一外部 ADC 时钟选项的一个优势是，能够将直流/直流转换器开关频率与 ADC 数字 sinc3 滤波器中的零同步。详细信息请参见 节 4.1。图 3-1 展示了外部时钟选项的原理图。

4 电源

本节详细介绍了 EVM 电源、ADC 模拟和数字电源选项以及 PCB 布局和去耦指南。

4.1 直流/直流转换器电路

如前面的节 1中所述，EVM 的电源完全由 PHI 控制器通过连接器 J9 提供。有关 PHI 引脚和电源连接的信息，请参阅表 3-1。

PHI (ISO_3V3) 上的 3.3V LDO 输出用于为隔离栅的控制器侧供电，包括数字隔离器、板载 8.192MHz 振荡器和 D 触发器时钟分频器电路。ISO_3V3 也是为变压器驱动器（SN6505B-Q1、U6）供电并生成用于隔离栅 ADC 侧的电源的默认选项。通过卸载 R96 并安装 R97，U6 也可以由原始 USB 电源 (EVM_RAW_5V) 供电。

默认情况下，SN6505B-Q1 使用内部 420kHz 时钟来设置变压器开关频率。该时钟与 ADS131B26-Q1 内部时钟异步运行 (CLK = 8.192MHz)。但是，EVM 还支持外部 ADC 时钟，可通过启用板载振荡器 (Y1) 或将外部源的时钟连接到板载 SMA 连接器 (J10) 来提供该时钟。当 ADC 使用外部时钟时，该信号使用双路 D 型触发器（U7 和 U8）除以因子 16，并与 SN6505B-Q1 CLK 输入共享。SN6505B-Q1 在内部将该时钟输入除以另一个因子 2，从而使变压器开关频率与 ADC 时钟同步。ADS131B26-Q1 在变压器输出端检测到的任何剩余开关噪声均与 ADC SINC3 数字滤波器响应中的零保持一致，并会显著衰减。图 4-1 展示了直流/直流转换器和变压器驱动器电路。

4.2 ADC 电源 

变压器输出连接到两个整流二极管（D1 和 D2），以提供高边的主电源电压 (VADC_HV)。JP2 和 JP3 分别将 VADC_HV 连接到 ADC APWR 和 DPWR 电源引脚。ADS131B26-Q1 使用两个内部 LDO 生成主要模拟和数字电 源（AVDD 和 IOVDD）。0.1 欧姆串联电阻器（R57 和 R66）用于测量 LDO 电源电流，ADC 不需要这些电阻器 也可正常运行。当 JP2 和 JP3 安装在 [2-3] 位置时，VADC_HV 的标称值大概为 5.1V。要评估具有外部 APWR 和 DPWR 电源的 ADS131B26-Q1，请移除 JP2 和 JP3 上的跳线并将外部电源连接到相应的端子块输入端（J6 和 J8）。或者，通过将 JP2 和 JP3 跳线移动到 [1-2] 位置，可以完全旁路掉 ADC 内部 LDO。在此配置中， APWR 必须介于 3V 和 3.6V 之间，DPWR 必须介于 3V 和 5.5V 之间。图 4-2 展示了模拟和数字 ADC 电源选 项。

4.3 电源和电压基准去耦

ADS131B26-Q1 的电源和 ADC 电压基准引脚通过放置在电源引脚附近的陶瓷电容器被旁路。此外，EVM 布局使用宽布线或大面积铺铜（尽量铺在旁路电容器与负载之间），从而尽可能减少负载电流路径上的电感。

EVM 原理图列出了具有独立线网名称的模拟地和数字地（AGND 和 DGND），用于电路图示。但是，这两个线网通过底部信号层上的网带连接在 EVM 上。正确的元件放置和实心接地覆铜对于确保在任何精密 ADC 应用实现超低噪声和超高精度至关重要。有关更多建议的布局实践，请参阅节 7.2。

5 ADS131B26Q1EVM-PDK 初始设置

本节介绍了正确操作 ADS131B26Q1EVM-PDK 必须完成的初始硬件和软件设置过程。

5.1 默认跳线设置

拆包后，EVM 配置有默认跳线设置。图 5-1 展示了默认跳线的位置，表 5-1 展示了默认分流器的功能。