一种UART通讯隔离电路的制作方法

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bmsmcu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q1off，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_rxpin脚，此高压因为和bmsmcu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bmsmcu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adiadum1201芯片或tiiso7021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。

技术实现要素：

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uartrx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isorx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uarttx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isotx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uartrx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isorx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uarttx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isotx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uartrx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isorx信号输出端，为所述负载提供isorx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uarttx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isotx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/sclaltert）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bmsmcu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q1c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q1c级一端连接到q2b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bmsmcu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。