Специально для коллег из Геоскана делюсь схемой BMS для Тесловской батареи. Никаких BQшек, только проц, несколько дискретных компонентов и свой софт

В комментариях под схемой Battery Monitoring Board от Tesla обсуждали почему там не используют готовых интегрированных микросхем для BMS по типу серии BQ от Texas Instruments.
Версии были следующие:
- так выходило дешевле в серии
- разработчики хотели свой собственный софт
- на момент разработки таких микросхем еще не было
- дискретные компоненты легко заменять, если что-то пропадет со складов.
Судя по всему был прав Саша Харабровский. В 2008, когда Tesla Roadster, вышла в производство, никаких BQшек еще не было.

На ютубе есть обзор этой схемы, достаточно интересный.
Но что меня позабавило - как автор восхищается мерами безопасности на этой плате.
Меры безопасности:
1. Предохранитель на каждую ячейку, на случай если балансировочный транзистор замкнется
2. Аппаратное оповещение о неисправности(over voltage или reverse voltage на ячейках), на случай если зависнет софт

Всё. Кхм. Может что-то дополнительное - это уже излишества. Но Борис Георгиевич сказал бы, что это "категорически недопустимо".

P.S. Оказывается здесь выложены схемы со стадии R&D, а не те, которые были запущены в серию. Надо было читать дисклеймер :)

Поскольку я работаю в маленькой компании, то иногда меня просят поучаствовать в собеседованиях на hardware инженеров. Я пообщался с ребятам разного уровня от джуниоров до около сеньоров и один из вопросов, который всем задаю: «Почему в рекомендациях по трассировке импульсных DC-DC преобразователей пишут, что дороги/полигоны между силовыми компонентами должны быть как можно короче и как можно шире?».
Все знают, что это нужно делать. Большинство знает, что это как-то связано с шумами. Но без наводящих вопросов никто еще не смог нормально объяснить причину этой рекомендации.

В лучшем случае мне ответили что-то вроде «уменьшить контур протекания импульсного тока», но это объясняет почему «как можно короче», но не отвечает на вопрос о ширине.

Были предположения о том, чтоб уменьшить паразитное сопротивление полигона, но оно и так достаточно маленькое и падение напряжения на нем порядка милливольт.

Главная идея все таки в другом - уменьшить паразитную индуктивность. Именно она является источником помех, когда есть быстрое изменение тока. А в импульсных DC-DC через силовые компоненты, вплоть до индуктора, протекает ток, значение которого сильно меняется за короткое время. Другими словам, там большое dI/dt. А где большое dI/dt, там и возникает звон/падения напряжения, которое зависит еще и от величины индуктивности: ΔU = Lпаразитная * (dI/dt)
Поэтому, если снизить паразитную индуктивность до минимума, то напряжение шума будет минимальным даже при большом dI/dt.

К сожалению, не всегда получается соблюдать все правила и рекомендации в своем дизайне, очень часто приходится торговаться между двумя плохими решениями и чем-то жертвовать. Поэтому понимание где протекают какие токи, что с этим можно сделать, где это важно, а где не сильно влияет на дизайн - может быть очень полезно на этапе разработки. Подробнее обо всем это я конспектировал здесь, а само видео очень рекомендую к просмотру. Оно, так сказать, базовое.

Если говорить о практическом применении этого понимания, то представим себе стандартную ситуацию: вы трассируете Buck DC-DC, прочитали что нужно "как можно короче и шире", но у вас ограничена площадь платы. И тогда это абстрактное "шире" уже вызывает вопросы.
1. Считаем Iripple, который протекает в контуре (формулы обычно есть в даташитах)
2. Прикидываем какую ширину можно обеспечить
3. В онлайн калькуляторе (например Saturn) считаем паразитную индуктивность
4. Прикидываем по формуле ΔU = L * (dI/dt) уровень шумов
5. Делаем вывод, насколько это критично в вашей системе.

Про то, что нужно соблюдать «баланс меди» при разработке печатной платы я слышал давно. Но главной причиной этой рекомендации были механические соображения: если на плате будет неравномерное распределение меди, то плата может изогнуться при производстве.

Помня про этот эффект, в своей последней 6-ти слойной плате я залил медью все внутренние слои, а внешние оставил без заливки по некоторым соображениям. Мне казалось, что стек достаточно симметричен, чтоб при производстве не возникло никаких механических деформаций.
Но беда пришла откуда не ждали: JLCPCB пишет, что на внешних слоях слишком много свободного места, они не могут выдержать зазоры и надо либо увеличить зазор между проводниками, либо залить медью как минимум 30% слоя. На мое уточнение они подтвердили, что им не важна равномерность этих 30%, залить можно где угодно.
Не похоже, что причиной их требований было опасение механических деформаций.
Причиной оказалось гальваническое осаждение меди. Во время этого процесса плата помещается в ванну со специальным токопроводящим раствором, где есть анод (источник молекул меди) и катод (приемник молекул меди). В качестве катода выступает медный слой печатной платы.
Соответственно получается, что через медь печатной платы течет ток и толщина осаждаемой меди зависит от плотности этого тока.
Для достижения равномерного распределения тока и во избежание расширения дорожек на плате, JLCPCB просят довести количество меди до 30% относительно площади платы. Тогда всё будет четко, ровно и с минимальными зазорами.

Кто-нибудь сталкивался с такой проблемой у других производителей или вы всё время заливаете свободное пространство медью?

От себя добавлю, что это видео что-то вроде классики наглядного объяснения процесса изготовления печатных плат. На ютубе также есть и нарезки этого ролика по частям.

Это немного другое, но как то мне вспомнилось
https://www.youtube.com/watch?v=6VdU7e9a1OY
возможно, кто-то уже видел, да и вообще там простенько, но по-моему сделано миленько и красиво

Справочник по силовым МОСФЕТам от NXP. Меня привлек раздел, где анализируют теплопередачу при разных термопадах на печатной плате.

Продолжение видео о батареи Теслы. В нем автор нарисовал диаграмму всей батареи и благодаря наглядности становится намного понятнее, как она устроена. Основные защиты находятся на отдельной защитной плате. А та, что рассматривалась в предыдущий раз - отвечает за обслуживание одного блока батарей.

Скоро приедет моя первая плата в новой компании, и я очень переживаю. Это моя первая разработка с высокими скоростями, микропроцессором и HDMI.
Проект важный и срочный, а я в хайспиде неопытный и неуверенный.
На этом фоне мне вспомнилось, как я отлаживал свою первую плату на предыдущем месте работы.

Я, можно сказать, только начинал свой путь в HW разработке, и моей первой задачей было сделать апдейт уже существующей BMS-платы для квадрокоптерной батареи. Основной функционал был давно разработан и проверен на практике, а мне нужно было добавить пару элементов из уже нарисованной схемы и создать новую топологию под новый конструктив.

Батарея, для которой делалась плата, была достаточно мощной - 17000 мА/ч и состояла из десятка LiPo-ячеек. Такая штука однажды сожгла весь этаж на производстве, и наслушавшись подобных историй, а также всяких предосторожностей о работе с LiPo, мне было жутко страшно не только налажать в такой простой задаче, но и поджечь весь офис из-за ошибки в дизайне.

Я настолько боялся вызвать пожар в офисе, что при проверке первой версии платы постоянно держал руку на ячейках батареи, оперативно контролируя таким образом ее перегрев.
Но все шло достаточно неплохо: было несколько некритичных ошибок, напряжение и ток считывались, батарея разряжалась и заряжалась.
Можно сказать, что первое задание выполнено, и я доказал, что я не идиот. На радостях мы быстро выпустили вторую ревизию, и с ней уже собрали первый прототип с механикой.

И вот после полной сборки обнаружилась странная вещь: при зарядке у батареи переставал работать SMBus интерфейс. SMBus, по сути, это I2C - достаточно простой интерфейс, который стабильно работал на этапе дебага.

Ну, окей. Пошел разбираться. Включил зарядку, встаю осциллографом, а таааам... Там на интерфейсе были такие шумы, что просто ад. Амплитуда по несколько вольт в обе стороны. Там либо пороги срабатывания пробиваются, либо в защиту вообще уходит. Короче, дело жопа, и непонятно, почему вообще это обнаружилось только сейчас.

Разбираю механику, вытаскиваю все наружу, включаю зарядку, начинаю тыкаться осциллографом и в ужасе вижу, что куда бы я не встал щупом - ВЕЗДЕ такие шумы. На каждой линии. На каждом сигнале. Будь то SMBus, питание, единица от микроконтроллера или даже земля!!!

Шумы на земле меня настолько сбили с толку, что я вообще не знал, что делать. С концепцией короткой земли на щупе осциллографа я тогда не был знаком)) Но интерфейс всё-таки отрубался, так что дело было не в измерениях.

Я пошел к коллегам, которые делали предыдущие версии плат, спрашиваю, не сталкивались ли они с подобной проблемой в своем дизайне. Они глаза округляют, плечами жмут, мол, нет, всё в порядке, SMBus стабильно работает.

Ну ладно. Значит, дело всё-таки в моем дизайне. Я долго пробовал различные тактики фильтрации, много чего измерял, но ничего вообще не помогало. Шумы как были, так и оставались. Интерфейс как падал, так и падал.

В итоге под подозрение попала земля печатной платы. Под руководством Бориса Георгиевича я сделал там весьма странные вырезы в полигоне, чтобы разделить земли. Коллеги удивлялись, видя это, но спорить с авторитетом не хотели.
Самостоятельно почитав умные статьи на тему разделения, а вернее, пользы "не разделения" земель, я сделал сплошной полигон и отправил это в третью ревизию, в надежде, что проблема будет решена. Теперь то все сделано по уму.

Приходит третья ревизия. Я с молящими глазами подключаю плату. Коллеги держат на готове плакаты "а я же говорил" для Бориса Георгиевича, но... Картина точно такая же. Земля не помогла. Я в отчаянии. И тут уже подходит мой начальник и спрашивает:
- Владос, а ты собственно говоря, чем заряжаешь? Ты пробовал с другой зарядкой?
- Нууу... эээ... У предыдущих разработчиков проблем с этой зарядкой не было... Ну и как бы, типа, эээ, наверное, дело не в ней...
- Ну а ты попробуй, Владос.

Часть 1 | Часть 2

Часть 1 | Часть 2

Та зарядка, которую я использовал, идет в комплекте на поставку квадрокоптера. Этих коптеров продано не малое количество. Поэтому я и не думал пробовать что-то другое, будучи увереным, что тут уже всё проверено и отработано.
Пошел искать другую модель зарядки, с горем пополам нашел что-то и вот на нееей... ВНЕЗАПНО все становится чистенько и гладенько. Шумов меньше, и они не кладут SMBus, да и вообще в целом не мешают работать. Проверил несколько зарядок предыдущей модели - все шумят. А с другой моделью - шумит в разы меньше. Удивительное рядом.

Я все-таки чувствую себя идиотом. Я потерял кучу времени и денег компании на выпуск третьей ревизии, но коллеги меня поддерживают. В том числе и начальник, который не забывает, что я зеленый джун, и просто радуется тому, что дело сдвинулось с мертвой точки.

Потом, спустя месяц, ко мне подходит разработчик предыдущих версий и спрашивает: "Слушай, а что у тебя там за проблема с SMBus была? Рассказывай! Ага... И в чем была причина? Ага... Понятно... У нас сейчас такая же фигня..." Интересненько, конечно.

Но почему же все это не обнаружилось на этапе отладки первой ревизии? Помните, я писал, что постоянно держал руку на батарее? Так вот. Я не знаю как. Но когда я клал руку на нее, шумы становились меньше и не клали SMBus. Именно, когда на сами ячейки. Я до сих пор не знаю, как это объяснить. Если у вас есть идеи - пишите в комментариях.