BQ79600-Q1 设计建议
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摘要
BQ79600-Q1 是一款通信桥接器件，用于连接主机微控制器和 BQ7961X 系列电池监测器件。该器件能够通过 UART 或 SPI 接口与主机进行通信，并将通信转换为 BQ7961X 系列器件理解的差分菊花链协议。
双向菊花链端口支持基于变压器的隔离。在环形架构中，该器件支持自动主机唤醒或反向唤醒，使主机微控制器和 PMIC 进入低功耗模式（关断/睡眠），同时 BQ79600-Q1 监测堆叠式电池监测器件是否出现故障，并在检测到任何未屏蔽的故障时唤醒微控制器和 PMIC。
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1 电路设计
本节介绍了使 BQ79600-Q1 器件正常工作的电路设计建议。
1.1 电源（BAT、CVDD、DVDD、VIO 引脚）
BAT、CVDD、DVDD 和 VIO 引脚是 BQ79600-Q1 中的电源，用于为芯片中的不同模块供电。
BAT 引脚是为内部 LDO 和唤醒电路供电的电池电源输入。使用反向唤醒功能时，应通过一个 10Ω 电阻将该引脚连接到 12V 电池，并使用一个 0.1µF/50V 电容器旁路到 GND（将电容器尽可能靠近该引脚放置）。电池电压可低至 5.5V，高达 24V。如果不使用反向唤醒功能，可将该引脚连接到系统中 SBC/PMIC 的 5V 稳压电源，电压低至 4.75V，高达 5.25V。
CVDD 引脚是垂直接口专用的 5V 电源。该电压由 BQ79600-Q1 器件在内部生成。该引脚需要使用一个 0.22µF/10V 电容器去耦至 GND，才能正确运行。将电容器尽可能靠近 CVDD 引脚放置，并且不要将任何外部负载连接到该引脚。如果未使用反向唤醒功能且 BAT 引脚由 5V 稳压电源供电，请将 CVDD 直接连接到 BAT 引脚并且仍连接 0.22μF/10V 去耦电容器。
DVDD 引脚是为内部数字电路供电的 1.8V 稳压输出，由 BQ79600-Q1 器件从 CVDD 5V 电源内部生成。它需要使用一个 0.22µF/10V 电容器去耦至 GND，才能正确运行。将电容器尽可能靠近 DVDD 引脚放置，并且不要将任何外部负载连接到该引脚。
VIO 引脚是 UART 和 SPI I/O 引脚的电源输入。该引脚应连接到外部稳压电源，通常为 3.3V 或 5V。用于 UART 或 SPI I/O 引脚的微控制器电压基准应与用于 VIO 的电压基准相同。在典型应用中，该稳压电压由系统中的 PMIC 生成，并同时连接到 BQ79600-Q1 VIO 引脚和微控制器中用于 UART 或 SPI I/O 的电源引脚。使用 0.1μF/10V 电容器去耦至 GND，并将电容器尽可能靠近 VIO 引脚放置。应在驱动 SCLK、nCS、RX/MOSI、TX/MISO、NFAULT、nUART/SPI (SPI_RDY) 之前为 VIO 供电。
图 1-1 显示了直接使用 12V 电池为 BQ79600-Q1 供电并使用反向唤醒功能时建议的电源电路设计。图 1-2 显示了使用 5V 稳压电源为 BQ79600-Q1 供电且未使用反向唤醒功能时建议的电源电路设计。
图 1-1 12V 电池和自动主机唤醒
图 1-2 5V 稳压电源且不自动唤醒主机| 引脚 | 用途 | 使用反向唤醒 | 未使用反向唤醒 |
|---|---|---|---|
| BAT | 为内部 LDO 和唤醒电路供电。 | 通过 10Ω 电阻连接到外部 12V 电池，并使用 0.1µF/50V 旁路到 GND。 | 通过 10Ω 电阻连接到外部 12V 电池并使用 0.1μF/50V 旁路到 GND，或连接到 5V 稳压电源并短接至 CVDD。 |
| CVDD | 用于菊花链通信的 5V 电源。 | 通过 0.22μV/10V 去耦至 GND。 | 通过 0.22μV/10V 去耦至 GND。如果 BAT 由 5V 电源供电，则将该引脚连接到 BAT 引脚。 |
| DVDD | 用于内部数字电路的 1.8V 电源。 | 使用 0.22μF/10V 电容器旁路到 GND。 | |
| VIO | 用于 UART/SPI 输入/输出引脚的 3.3V 或 5V 电源输入。 | 使用 0.1μF/10V 电容器去耦至 GND。 | |
1.2 抑制输出（INH 引脚）
INH 引脚是 PMOS 开漏输出，用于在使用反向唤醒功能时控制 PMIC 等外部稳压器。该引脚需要通过一个 100KΩ 的下拉电阻连接到 GND，才能正常运行。如果未使用反向唤醒功能，则将 INH 直接连接到 BAT 引脚。
| 引脚 | 用途 | 使用反向唤醒 | 未使用反向唤醒 |
|---|---|---|---|
| INH | PMOS 开漏输出，用于控制系统稳压器。 | 将一个 100KΩ 电阻连接到 GND。 | 将该引脚连接到 BAT 引脚。不保持悬空。 |
1.3 与主机的通信（MOSI/RX、MISO/TX、nCS、SCLK、nUART/SPI (SPI_RDY) 引脚）
BQ79600-Q1 支持使用 MOSI/RX、MISO/TX、nCS、SCLK 和 nUART/SPI (SPI_RDY) 引脚通过 UART 接口或 SPI 接口与主机微控制器进行通信。本节介绍了使用上述每个通信接口所需的电路配置。
MISO/TX 引脚在空闲时被 BQ79600-Q1 器件拉高 (nCS = HIGH)。因此，无法与其他从器件共享 SPI 接口。请对其他从器件使用 MCU 中的另一个 SPI 接口。
nUART/SPI (SPI_RDY) 引脚是一个具有以下 2 种功能的数字 I/O 引脚：
- 该引脚用于选择 SPI 或 UART 接口。要使用 UART 接口，请将该引脚连接到 GND。要使用 SPI 接口，请通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的上拉电阻将该引脚连接到 VIO，并将该引脚连接到微控制器的 GPIO 引脚。
- 选择 SPI 模式后，该引脚具有附加功能。在 SPI 模式下初始化器件后，该引脚提供 BQ79600-Q1 的输出信号，用于向主机指示何时可以读取或写入数据。
nCS 引脚是数字输入，用作 SPI 接口的低电平有效芯片选择引脚。在 SPI 模式下，通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的上拉电阻将该引脚连接到 VIO，并连接到 SPI 主微控制器的 nCS 引脚。BQ79600-Q1 器件使用 MOSI/RX 引脚上接收到的特定信号模式（称为“ping”）来更改器件的电源状态。在 SPI 模式下，ping 仅在 nCS 保持低电平时有效。为避免器件读取意外的 ping，使用 SPI 接口时无法将 nCS 信号硬接线到 GND。在 UART 模式下，将该引脚连接到 GND。
SCLK 引脚是 SPI 接口的时钟输入。如果选择了 SPI 模式，请通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的下拉电阻将该引脚连接到 GND，并连接到 MCU 上的 SPI SCLK 引脚。在 UART 模式下，直接连接到 GND。
MISO/TX 引脚是 SPI 主输入从输出或 UART 发送器输出。在 MCU 侧通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的上拉电阻将该引脚连接到 VIO。如果使用 SPI 接口，请将该引脚连接到 MCU 上的 SPI MISO 引脚。如果使用 UART 接口，则连接到 MCU 上的 UART RX 引脚。
MOSI/RX 引脚是 SPI 主输出从输入或 UART 接收器输入。通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的上拉电阻将该引脚连接到 VIO。不要让它处于未连接状态。如果使用 SPI 接口，请将该引脚连接到 MCU 上的 SPI MOSI 引脚。如果使用 UART 接口，则连接到 MCU 上的 UART TX 引脚。
图 1-3 显示了主机 MCU 使用 UART 接口与 BQ79600-Q1 器件通信时的建议设计。有关主机 MCU 与 BQ79600-Q1 之间使用 SPI 接口进行通信时的建议设计，请参阅图 1-4。
图 1-3 使用 UART 接口
图 1-4 使用 SPI 接口| 引脚 | SPI 模式 | UART 模式 |
|---|---|---|
| MOSI/RX | 通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的上拉电阻连接到 VIO，并连接到 MCU 的 SPI SIMO 引脚。 | 通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的上拉电阻连接到 VIO，并连接到 MCU 的 UART TX 引脚。 |
| MISO/TX | 在 MCU 侧通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的电阻上拉至 VIO。连接到 MCU 的 SPI SOMI 引脚。请勿连接 SPI 总线上的其他从器件，因为 MISO 线路在空闲时被 BQ79600-Q1 器件拉高。 | 在 MCU 侧通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的电阻上拉至 VIO。连接到 MCU 的 UART RX 引脚。 |
| SCLK | 通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的下拉电阻连接到 GND，并连接到 MCU 的 SPI SCLK 引脚。 | 连接到 GND。 |
| nCS | 通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的上拉电阻连接到 VIO，并连接到 MCU 的 SPI nCS 引脚。 | 连接到 GND。 |
| nUART/SPI (SPI _RDY) | 通过一个 10KΩ 至 100KΩ 的上拉电阻连接到 VIO，并连接到 MCU 上的 GPIO 引脚。 | 连接到 GND。 |
1.4 故障输出（NFAULT 引脚）
NFAULT 引脚是低电平有效故障指示器，在发生故障时，该引脚将拉低以向主机发出已发生故障的信号。nFAULT 是开漏低电平有效引脚，因此需要通过一个 100KΩ 的电阻将其上拉至 VIO。将 nFAULT 连接到主机 MCU 上的 GPIO。如果不使用，则连接到 GND。有关建议的 NFAULT 连接，请参阅图 1-3。
1.5 与电池监测器件的通信（COMHP、COMHN、COMLP、COMLN 引脚）
COMHP、COMHN、COMLP 和 COMLN 引脚是交流耦合双向输入/输出引脚，用于与 TI 的电池监测器 IC（如 BQ7961X-Q1 系列器件）进行通信。要在北向通信，BQ79600-Q1 的 COMHP/N 差分引脚应通过适当的隔离连接到电池组中第一个电池监测器 IC 的 COMLP/N 引脚。同样，要在南向通信（例如使用环形架构时），BQ79600-Q1 的 COMLP/N 差分引脚应通过适当的隔离连接到电池组顶部电池监测器 IC 的 COMHP/N 引脚。如果不使用这些引脚，则保持未连接状态。
要在低压系统和高压域之间进行隔离，建议使用变压器隔离，因为这是从系统中消除共模噪声的有效方法。图 1-5 显示了接口元件值。仅当使用环形架构时，才需要标红的电路。
图 1-5 菊花链隔离使用环形架构的好处是，即使两个堆叠器件之间的通信线中断，主机也可以继续与堆叠的电池监测器件进行通信。在非环形方案中，两个器件之间的通信中断会阻止与所有上游器件的通信。当 BQ79600-Q1 桥接器件和 BQ7961X-Q1 堆叠器件之间使用环形架构时，如果主机检测到通信接口断开，它将能够切换通信方向，以便与中断点两侧的器件进行通信。这样可以确保安全运行，直到线路中的中断点被修复。有关在使用环形架构时如何反转通信方向的步骤，请参阅器件的数据表。
当 BQ7961X-Q1 堆叠器件处于睡眠模式而 BQ79600-Q1 处于睡眠模式或关断模式时，环形架构还支持传输故障状态。
| 组成部分 | 用途 | 建议 |
|---|---|---|
| 变压器 | 变压器在低压域和高压域之间提供电隔离。 | HMU1228NL 变压器或 HM2147NL 变压器。 |
| 端接电阻器 | 使用此电阻器是为了防止反射信号干扰通信。 | COMHP 和 COMHN 引脚之间的 1KΩ 电阻。如果使用环形架构，则在 COMLP 和 COMLN 引脚之间连接一个 1KΩ 电阻。BQ79600-Q1 侧和 BQ7961X-Q1 侧的连接两端均应有一个端接电阻。 |
| 串联电阻： | 串联端接电阻用于实现阻抗匹配。 | COMHN 和 COMNP 线路上的 51Ω 串联电阻，如图 1-5 所示。如果使用环形架构，还需要在 COMLN 和 COMLP 线路上均使用 51Ω 串联电阻。 |
| 旁路电容器 | 旁路电容器可在 BCI 测试期间提供滤波并提高性能。 | COMHN 和 COMHP 上都有 100pF/50V 电容器连接到 GND。如果使用环形架构，则 COMLN 和 COMLP 上都有 100pF/50V 电容器连接到 GND。 |
| ESD 保护 | 建议添加 ESD 保护，以在通信线上提供 ESD 隔离。 | PESD5V0L2BT ESD 器件。 |
| 变压器中心抽头端子上的电容器 | 变压器需要在中心抽头处连接一个 100pF 电容器。 | 100pF/50V 电容器。 |
在所有这些情况下，建议都是基于电路板之间的电缆长度，并且在所有情况下，模块之间都要使用双绞线电缆。这些噪声隔离方法的主要目的是从信号中消除共模噪声。
通信线上的任何电容都将对性能产生影响。应计算并考虑所有有意电容和寄生电容。
