CN212086169U - 一种uart通讯隔离电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及本发明涉及一种UART通讯隔离电路包括隔离电路接收电路和隔离发送电路；所述隔离电路接收电路和所述隔离发送电路连接。本实用新型无需隔离电源和隔离IC即可实现电路隔离，所述UART通讯隔离电路使用普通分立器件，具有极低成本。同时具备高速通讯功能，以及超低功耗（无数据传输时，0功耗；有数据发送时有少量功耗）。可完美的解决隔离通讯通讯电路所带来的弊端。

Description

一种UART通讯隔离电路

技术领域

本实用新型涉及BMS电池管理领域，特别是一种UART通讯隔离电路。

背景技术

锂电池超过一定的温度、电压、电流范围就有安全风险，因此需要BMS进行电压、电流、温度采集和保护。BMS中使用的开关保护器件一般为NMOS，其过电流能力大，工艺稳定，成本低。但由于NMOS需要用正压驱动，因此放在负(GND)端保护比较合适，放在正（B+），则需要加入升压泵IC才能对NMOS进行开关控制，其成本较高。因此如图1中的负端NMOS开关保护是最合适的BMS架构。随着智能产品需求越来越高，电池也逐步往智能化发展。系统端需要通过通讯获取更多的电芯相关信息，电压、电流、温度、SOC、SOH、历史信息等等。这一般都通过BMS MCU的通讯接口发出去。UART（MCU自带）作为一种最低廉的通讯接口方式，也被广泛使用。但如图1，在负端保护场景中，当BMS发生放电保护 Q1 OFF，则B-和 P-会断开，但P+还与负载连接在一起，因此整个负载都会带上P+的高压，包含连接的UART_TX/UART_RX PIN脚，此高压因为和BMS MCU的 PIN脚直接相连，而MCU又都是以B-为供电，因此这样断开会导致MCU 接入高压，而击穿。导致BMS失效，甚至可能导致安全问题。因此为了解决该问题一般采用图2的方案架构，使用隔离电路隔离MCU的 UART_TX/UART_RX 管脚，使得外部高压无法进入BMS MCU系统，同时也需要加上隔离电源电路，来提供给隔离芯片供电。其中隔离电源电路也可由负载提供。

图2现有方案的成本较高，由于需要加上隔离电路以及隔离电源。其中隔离电路需要支持高速100kbps以上的通讯速率，一般采用专用数字隔离通讯IC，如ADI ADuM1201芯片或 TI ISO7021芯片，以及也可以使用高速通讯光耦器件。成本较高，超过1$；其次还需要隔离电源，也需要较高成本。同时IC工作时都有较高功耗，会导致BMS整体运行功耗较高，不利于电池包的存储。容易导致电池深度过放，而导致电池包保费，造成较大经济损失。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种UART通讯隔离电路，具有高可靠性，高速通讯以及低功耗等特点，极大的提升电池包的存储寿命，降低电池包因功耗过大导致过放电而损坏的概率。

本实用新型采用以下方案实现：一种UART通讯隔离电路，包括隔离电路接收电路和隔离发送电路；所述隔离电路接收电路和所述隔离发送电路连接；所述隔离接收电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二稳压二极管D2；所述第一电阻R1的一端与所述第二稳压二极管D2的阴极连接，并作为UART RX信号输入端；所述第一电阻R1的另一端接电源；所述第二稳压二极管D2的阳极接地并与所述隔离发送电路连接；所述第一二极管D1的阳极与所述第二稳压二极管D2的阴极连接；所述第一二极管D1的阴极与所述第一电阻R2的一端连接；所述第一电阻R2的另一端作为ISO RX信号输出端；

所述隔离发送电路包括第一电容C1、第二电容C2、第四电阻R4、第七电阻R7、第四二极管D4、第六电阻R6、第八电阻R8、第五电阻R5、第一三极管Q1、第二三极管Q2；所述第一电容C1的一端与所述第四电阻R4的一端连接，并作为UART TX信号输入端；所述第一电容C1的另一端与所述第四电阻R4的另一端连接，并均与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的发射极接电源；所述第一三极管Q1的集电极与所述第七电阻R7的一端连接；所述第七电阻R7的另一端接地，并与所述隔离发送电路的第二稳压二极管D2的阳极连接；所述第七电阻R7的一端还分别与所述第四二极管D4的阳极和所述第二电容C2的一端连接；所述第四二极管D4的阴极与所述第六电阻R6的一端连接；所述第六电阻R6的另一端与所述第二电容C2的另一端均与所述第八电阻R8的一端连接，并均连接到所述第二三极管Q2的基极；所述第八电阻R8的另一端与所述第二三极管Q2的发射极连接，并接地；所述二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的一端连接；所述第五电阻R5的另一端作为ISO TX信号输出端。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

通过使用本实用新型，可以极大的降低BMS的隔离UART通讯的成本，同时本实用新型具有高可靠性，高速通讯以及低功耗等特点，极大的提升电池包的存储寿命，降低电池包因功耗过大导致过放电而损坏的概率。

附图说明

图1为本实用新型实施例的现有技术中的系统图。

图2为本实用新型实施例的针对图1场景的常规实施方案图。

图3为本实用新型实施例的应用UART通讯隔离电路的锂电池BMS系统图。

图4为本实用新型实施例的UART通讯隔离电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

本实施例提供了如图4所示，本实施提提供一种UART通讯隔离电路，包括隔离电路接收电路和隔离发送电路；所述隔离电路接收电路和所述隔离发送电路连接；所述隔离接收电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二稳压二极管D2；所述第一电阻R1的一端与所述第二稳压二极管D2的阴极连接，并作为UART RX信号输入端；所述第一电阻R1的另一端接电源；所述第二稳压二极管D2的阳极接地并与所述隔离发送电路连接；所述第一二极管D1的阳极与所述第二稳压二极管D2的阴极连接；所述第一二极管D1的阴极与所述第一电阻R2的一端连接；所述第一电阻R2的另一端作为ISO RX信号输出端；

所述隔离发送电路包括第一电容C1、第二电容C2、第四电阻R4、第七电阻R7、第四二极管D4、第六电阻R6、第八电阻R8、第五电阻R5、第一三极管Q1、第二三极管Q2；所述第一电容C1的一端与所述第四电阻R4的一端连接，并作为UART TX信号输入端；所述第一电容C1的另一端与所述第四电阻R4的另一端连接，并均与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的发射极接电源；所述第一三极管Q1的集电极与所述第七电阻R7的一端连接；所述第七电阻R7的另一端接地，并与所述隔离发送电路的第二稳压二极管D2的阳极连接；所述第七电阻R7的一端还分别与所述第四二极管D4的阳极和所述第二电容C2的一端连接；所述第四二极管D4的阴极与所述第六电阻R6的一端连接；所述第六电阻R6的另一端与所述第二电容C2的另一端均与所述第八电阻R8的一端连接，并均连接到所述第二三极管Q2的基极；所述第八电阻R8的另一端与所述第二三极管Q2的发射极连接，并接地；所述二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的一端连接；所述第五电阻R5的另一端作为ISO TX信号输出端。

如图3所示，本实施例还提供一种应用UART通讯隔离电路的锂电池BMS系统，包括AFE、MCU、UART通讯隔离电路、负载、第一MOS管Q3、第四MOS管Q4、保险丝F1和电池组；所述UART通讯隔离电路分别与所述MCU和所述负载连接；所述UART通讯隔离电路包括隔离电路接收电路和隔离发送电路；所述隔离接收电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二稳压二极管D2；所述第一电阻R1的一端与所述第二稳压二极管D2的阴极连接，并接收所述MCU的UART RX信号，作为输入信号；所述第一电阻R1的另一端接电源；所述第二稳压二极管D2的阳极接地并与所述隔离发送电路连接；所述第一二极管D1的阳极与所述第二稳压二极管D2的阴极连接；所述第一二极管D1的阴极与所述第一电阻R2的一端连接；所述第一电阻R2的另一端作为ISO RX信号输出端，为所述负载提供ISO RX信号；

所述隔离发送电路包括第一电容C1、第二电容C2、第四电阻R4、第七电阻R7、第四二极管D4、第六电阻R6、第八电阻R8、第五电阻R5、第一三极管Q1、第二三极管Q2；所述第一电容C1的一端与所述第四电阻R4的一端连接，并接收所述MCU的UART TX作为输入信号；所述第一电容C1的另一端与所述第四电阻R4的另一端连接，并均与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的发射极接电源；所述第一三极管Q1的集电极与所述第七电阻R7的一端连接；所述第七电阻R7的另一端接地，并与所述隔离发送电路的第二稳压二极管D2的阳极连接；所述第七电阻R7的一端还分别与所述第四二极管D4的阳极和所述第二电容C2的一端连接；所述第四二极管D4的阴极与所述第六电阻R6的一端连接；所述第六电阻R6的另一端与所述第二电容C2的另一端均与所述第八电阻R8的一端连接，并均连接到所述第二三极管Q2的基极；所述第八电阻R8的另一端与所述第二三极管Q2的发射极连接，并接地；所述二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的一端连接；所述第五电阻R5的另一端作为ISOTX信号输出端,为所述负载提供ISO TX信号。

较佳的，在现有技术中的锂电池BMS系统包括AFE、MCU、隔离电路、负载、第一MOS管Q3、第四MOS管Q4、电池组、保险丝F1和隔离电源电路；其中，AFE为模拟前端；F1为保险丝。防止Q3/14失效后 BMS 电流保护功能丧失后F1能起到最后的安全电流保护功能。本实施例去除隔离电源电路，并将隔离电路替换为本实施例的UART通讯隔离电路；所述AFE分别与所述电池组和所述MCU连接，所述MCU与所述UART通讯隔离电路连接；所述UART通讯隔离电路还与所述负载连接；所述第一MOS管Q3和第四MOS管Q4连接，并均与所述AFE连接；所述第一MOS管Q3还与所述电池组连接；所述第四MOS管Q4还与所述负载连接；所述负载还通过保险丝F1与所述电池组连接；所述电池组由电池B1至BX串联组成。 X的取值范围为2~20S。

较佳的，在本实施例中，AFE包括但不限于用于锂电池电压、电流、温度采集的专用芯片。

BMS通过AFE进行电芯电压、温度、电流采集。该数据通过AFE和MCU连接的IIC端口（SDA/SCL ALTERT）传输至MCU进行运算处理，若超过设定的保护值，则MCU通过IIC端口控制AFE进行Q3和Q4的控制，进行相应的充放电停止的保护，从而保护锂电池的使用安全。同时为了保证整个产品系统能实时了解锂电池包的状态，电压、电流、温度、剩余电量等，需要将该数据实时的进行通讯交互。因此需要进行通讯传输。

本实施例无需隔离电源和隔离IC即可实现电路隔离，架构如图3所示，本实施例隔离电路使用普通分立器件，具有极低成本。同时具备高速通讯功能，以及超低功耗（无数据传输时，0功耗；有数据发送时有少量功耗）。可解决隔离通讯通讯电路所带来的弊端。

较佳的，本实施例，a)如图4所示，本实施例隔离电路主要由两部分组成一个是隔离接收电路，第二部分是隔离发送电路。b）隔离接收电路主要由4个器件组成，其中D1提供高压防护截止，防止BMS保护时的高压进入BMS的MCU；D2，提供回路的静电防护，防止外部静电打入 BMS MCU导致损坏。R2提供回路限流，避免回路电流过大损坏MCU。R1提供MCU接收管脚的上拉高电平。回路通讯时，通过R1上拉提供高电平，下拉低电平由负载的通讯端提供。因此此隔离接收电路可接收耐高电压以及静电，同时可正常接收负载端的通讯发送信号。因为通讯电路在无数据发送接收时，总线衡为高电平，因此无通讯时总线不会被拉低，无功耗产生。同时D1采用快恢二极管，可提供100kbps以上的高速通讯接收。

隔离发送电路主要由Q1模块电路完成电平转换，Q2电路完成电平恢复，同时Q1以B-为参考地，Q2以P-为参考地，完成发送的通讯地隔离。Q1和Q2之间的连接采用二极管D4和电容C2隔离，当P-为高压时，该信号首先被Q2三极管隔离，其次被D4/C2这两个器件隔离，无法传输到BMS的MCU内部，可以实现高可靠的高压隔离防护。电路中C1和C2使用小容值电容，主要用来加速三极管的开启过程，改善发送电平变换时的边缘斜率，提升发送波形质量。也因此可以满足100kbps以上的高频通讯。由于UART 发送总线空闲时为高电平，此回路电路并不会工作，因此无数据发送时，该回路无功耗。只有在有数据发送时有较小功耗。可以满足BMS的低功耗要求。

c)隔离接收电路主要由R1/R2/D1/D2器件组成，其中R1一端上拉到 MCU工作的3.3V，另一端连接至MCU 的 UART_RX引脚，同时该引脚也同时连接到D1的正极和D2的负极。D2的正极连接到B-，以提供MCU端的静电防护。D1的负极连接到R2电阻的一端，R2电阻的另一端连接至 隔离通讯的发送端，即连接到负载设备的发送管脚。

隔离发送电路主要由Q1电平转换电路，Q2电平恢复电路，以及由D4组成的中间隔离电路。其中Q1转换电路保护C1/R4/R7/Q1组成，其中R4/R7/Q1为基础的三极管开关电路，增加了C1并联在R4上，以加速三极管开关，提升开关斜率。R4的一端连接至MCU的 UART_TX管脚。Q2恢复电路为典型的OC门电路，由Q2/R8/R6/R5组成，其中R5的另一端直接连接到负载电路的接收管脚（接收管脚需要上拉处理）。D4 一端连接到Q1 C级一端连接到R6，以提供两个不同地平面的隔离。C4一端连接到Q1 C级一端连接到 Q2 B级，以加速Q2三极管开关，提升开关斜率。

d) 使用接收隔离电路的 UART_RX端连接至 BMS MCU的通讯接收管脚，ISO_RX 管脚连接到负载到信号发送电路即可。使用发送隔离电路到UART_TX端 连接到BMS_MCU 到通讯发送管脚，ISO_TX 管脚连接至负载接收模块到接收电路即可。如此隔离电路即可正常工作，提供高压隔离防护，低功耗，以及高速通讯到需求。

较佳的，在本实施例中，Q1/Q2可以替换成其他MOSFET等开关器件。

较佳的，在本实施例中，可以微调或者增删小部分周边电阻或电容器件，也可实现隔离通讯。如修改R1/R2/R4/R7/R6/R5电阻值或者删除C1/C2或变更其电容值等。

值得一提的是，本实用新型保护的是硬件结构，至于控制方法不要求保护。以上仅为本实用新型实施例中一个较佳的实施方案。但是，本实用新型并不限于上述实施方案，凡按本实用新型方案所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种UART通讯隔离电路，其特征在于：包括隔离电路接收电路和隔离发送电路；所述隔离电路接收电路和所述隔离发送电路连接；所述隔离接收电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二稳压二极管D2；所述第一电阻R1的一端与所述第二稳压二极管D2的阴极连接，并作为UART RX信号输入端；所述第一电阻R1的另一端接电源；所述第二稳压二极管D2的阳极接地并与所述隔离发送电路连接；所述第一二极管D1的阳极与所述第二稳压二极管D2的阴极连接；所述第一二极管D1的阴极与所述第一电阻R2的一端连接；所述第一电阻R2的另一端作为ISO RX信号输出端；

所述隔离发送电路包括第一电容C1、第二电容C2、第四电阻R4、第七电阻R7、第四二极管D4、第六电阻R6、第八电阻R8、第五电阻R5、第一三极管Q1、第二三极管Q2；所述第一电容C1的一端与所述第四电阻R4的一端连接，并作为UART TX信号输入端；所述第一电容C1的另一端与所述第四电阻R4的另一端连接，并均与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的发射极接电源；所述第一三极管Q1的集电极与所述第七电阻R7的一端连接；所述第七电阻R7的另一端接地，并与所述隔离发送电路的第二稳压二极管D2的阳极连接；所述第七电阻R7的一端还分别与所述第四二极管D4的阳极和所述第二电容C2的一端连接；所述第四二极管D4的阴极与所述第六电阻R6的一端连接；所述第六电阻R6的另一端与所述第二电容C2的另一端均与所述第八电阻R8的一端连接，并均连接到所述第二三极管Q2的基极；所述第八电阻R8的另一端与所述第二三极管Q2的发射极连接，并接地；所述二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的一端连接；所述第五电阻R5的另一端作为ISO TX信号输出端。

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