NXP MC33774A 溫度採樣測試

一、背景

       在之前的文章中，已經介紹了 MC33774A 的電壓採樣測試，而在電池管理系統（BMS）中，溫度採樣也同樣至關重要，因為電池的性能、安全性和壽命與其工作溫度密切相關。實時監測電池組的溫度可以及時識別過熱或過冷的情況，從而採取保護措施，防止電池損壞或安全事故的發生。溫度過高可能導致性能下降和熱失控，而溫度過低則會影響放電能力和循環壽命。MC33774A 作為一款高性能的模擬前端（AFE）晶片，具備精準的溫度檢測功能，能夠實時監測電池的溫度變化，確保電池在安全範圍內運行，從而有效提升系統的安全性和可靠性。

       本文將使用可編程電阻卡模擬 NTC 電阻阻值隨溫度的變化，測試 MC33774A 的溫度採樣，所使用的板子為 WPI ESS CMU 板，具有 3 個 MC33774A，可最多採樣 12 路溫度數據。

二、測試工具

       NGI NXI-5100 是一款支持 LAN 總線控制的多通道高密度可編程電阻卡，實物如圖 1 所示。其具有 8 個通道，電阻可選範圍：0Ω~11.11MΩ，電阻精度高達 0.1%， 電阻編程解析度最高可達 1Ω；採用 12V DC 供電，通過 LAN 通訊控制，控制與可編程電阻完全隔離；可通過上位機配置模擬 NTC 不同溫度下的阻值，從而實現溫度模擬。

圖 1 NXI-5100 可編程電阻卡

三、MC33774A 溫度採樣

       MC33774A 有 8 路 GPIO，可復用為通用輸入輸出，也可以復用為模擬量絕對值 / 比值測量引腳，用於溫度採樣。選用阻值為 10KΩ、精度為 1%、B 值為 3380K 的 NTC 電阻，溫度採樣部分原理圖如圖 2 所示，單顆 MC33774A 有 6 路溫度採樣，2 路用於 PCB 溫度採樣，4 路用於電池溫度採樣，單板共 6 路用於採樣 PCB 溫度，12 路用於電池溫度採樣。

圖 2 MC33774A 溫度採樣電路

       通過如圖 3 所示公式可計算出 NTC 電阻的阻值，其中 為 NTC 的電壓，

圖 3 電阻阻值計算公式

       再通過圖 4 所示的 Steinhart-Hart 方程計算出溫度值。Steinhart-Hart 方程是一種用於描述熱敏電阻（NTC 熱敏電阻）阻值與溫度之間關係的數學模型，

圖 4 Steinhart-Hart 方程

       為求解溫度可改寫如圖 5 所示。

圖 5 求溫度方程

       其中 T 是絕對溫度，通常以開爾文 (K) 為單位，求攝氏溫度需減去 273.15； 為熱敏電阻在某一溫度下的阻值；A、B、C 為 Steinhart-Hart 係數，這些係數是特定於每個熱敏電阻的，並且通常由製造商提供或者可以通過實驗測量得到。若所使用的 NTC 規格書中沒有提供這些係數，可以通過在不同溫度下測量熱敏電阻的電阻值，並使用數據擬合來估算這些係數。由於本方案所使用的 NTC 沒有提供 Steinhart-Hart 係數，因此使用如圖 6 所示 Python 代碼估算 Steinhart-Hart 係數。

圖 6 Steinhart-Hart 係數計算代碼

       運行該 Python 代碼可得到 A = 0.000857478211050844，B = 0.000256810628661215，C = 1.68859755801859。

       若是不方便運行 python 代碼，可通過 http://www.mcnic.com/rmjsq/ 在線計算 Steinhart-Hart 溫度係數，只需通過三組不同溫度下的電阻值即可算出係數，如圖 7 所示。

圖 7 Steinhart-Hart 溫度係數在線計算

       通過 Steinhart-Hart 方程計算的溫度值如圖 8 所示，Balance_Temp 為均衡電阻溫度，PCB_Temp 為 PCB 溫度，BAT_TempX 為電池板上 4 路 NTC 的溫度，單位為 ℃，由於只有 BAT_Temp1&2 外接了 NTC，其餘 BAT_Temp3&4 均未接 NTC，故 -154℃ 為無效值。

圖 8 CMU 測得的溫度值

四、溫度檢測誤差測試

       使用可編程電阻卡模擬 NTC 電阻因溫度變化產生的阻值變化，比較 MC33774A 計算的溫度值與 NTC 規格書中給出的溫度與阻值對應表中的溫度，以得出 MC33774A 溫度測量的誤差。如圖 9 所示為 NTC 電阻的溫度與阻值變化表，如圖 10 所示為 MC33774A 溫度測量誤差，在 -40℃~125℃ 範圍內誤差均小於 0.5℃，滿足 GB/T 34131-2023 中規定的 -20℃~65℃ 小於等於 1℃，-40℃~-20℃、65℃~125℃ 小於等於 2℃。

圖 9 NTC 溫度與電阻對應表

圖 10 MC33774A 溫度採樣誤差

五、高溫故障測試

       設置 MC33774A 高溫閾值為 70℃，使用可編程電阻卡設置通道電阻為 2586Ω，即對應 NTC 電阻 65℃ 時的阻值，此時高溫故障標誌位為 0，未發生高溫故障，如圖 11 所示；將可編程電阻卡通道電阻設置為 1925Ω，即對應 NTC 電阻 75℃ 時的阻值，此時高溫故障標誌位為 0x01，BAT_Temp1 發生高溫故障，如圖 12 所示。

圖 11 未發生高溫故障

圖 12 發送高溫故障

六、低溫故障測試

       設置 MC33774A 低溫閾值為 -20℃，使用可編程電阻卡設置通道電阻為 53650Ω，即對應 NTC 電阻 -15℃ 時的阻值，此時低溫故障標誌位為 0，未發生低溫故障，如圖 13 所示；將可編程電阻卡通道電阻設置為 87559Ω，即對應 NTC 電阻 -25℃ 時的阻值，此時低溫故障標誌位為 0x01，BAT_Temp1 發生低溫故障，如圖 14 所示。

圖 13 未發生低溫故障

圖 14 發生低溫故障

七、總結

       本文介紹了 MC33774A 溫度檢測的原理及其計算方法，並通過可編程電阻卡實際測試其溫度檢測誤差，在 -40℃~125℃ 溫度範圍內均滿足 GB/T 34131 中的要求。此外，還驗證了 MC33774A 溫度高低溫報警功能，確保電池在正常的溫度範圍內工作。

八、參考文獻

1. NXI-5100系列用戶手冊1-20240215.pdf
2. ds743220 - MC33774A Data sheet (2.0).pdf