數(shù)字光電耦合器為汽車應(yīng)用 提供低功耗和高隔離

摘要

與傳統(tǒng)的光電耦合器相比，Avago 的新款 ACE Q100 級(jí)光電耦合器，即 ACPL-K4xT / ACPL-K7xT 系列，具有明顯較低的LED 驅(qū)動(dòng)電流，從而減少了系統(tǒng)的功耗。此外，獨(dú)特的擴(kuò)展型表面貼裝套件還減少了光耦的引腳和體積，同時(shí)加大了絕緣間隙和爬電距離，從而提高了額定絕緣電壓。ACPL-K4xT//K7xT 系列的數(shù)字光電耦合器可廣泛應(yīng)用于 IPM驅(qū)動(dòng)器、CAN 總線接口和 HEV、PHEV 和 EV 系統(tǒng)內(nèi)離散的數(shù)字信號(hào)隔離方面。

簡(jiǎn)介

由于汽車系統(tǒng)采用的電子和電氣元件數(shù)量日益增多，使系統(tǒng)變得更容易受到瞬變電路和短路影響，因此必須采取額外的保護(hù)以防止損害關(guān)鍵的系統(tǒng)。 這在一臺(tái)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車或全電動(dòng)汽車時(shí)就顯得尤其重要。在這種情況下，高達(dá)幾百伏的高電壓就可能會(huì)被引入到動(dòng)力系統(tǒng)中。此外，除了高壓功率轉(zhuǎn)換之外，像 CAN(控制局域網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)之類的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)也必須加以保護(hù)，以使高電壓無法饋穿 ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)、BMS(電池管理系統(tǒng))、溫控系統(tǒng)等其他子系統(tǒng)。文中附有一些接口電路示例圖，說明了光電耦合器如何應(yīng)用于這些領(lǐng)域的原理。

可靠性高

歷經(jīng) 35 年以上的改進(jìn)，LED 以精湛的制造工藝鑄就深厚優(yōu)勢(shì)。 Avago 利用這一經(jīng)驗(yàn)為許多市場(chǎng)提供了可靠性高的 LED 光電耦合器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事和太空等領(lǐng)域。可靠性的關(guān)鍵之處在于 Avago 為實(shí)現(xiàn)汽車 ACE Q100級(jí)性能而開發(fā)的 LED 加工技術(shù)。

Avago 光電耦合器在溫度為 150°C 和 LED 驅(qū)動(dòng)電流為 20mA 的條件下通過了應(yīng)力測(cè)試。電流傳輸比 (CTR) 的參數(shù)與 LED 的光輸出量成正比。CTR-時(shí)間圖，如圖 1[1] 所示，可用來間接測(cè)量 LED 在整個(gè)生命周期內(nèi)的退化率。正如圖中所示，應(yīng)力測(cè)試 5000 小時(shí)后幾乎沒有退化。基于這一測(cè)量即可預(yù)測(cè)推斷，其汽車應(yīng)用中的工作壽命將長(zhǎng)達(dá)100 多年。

表 1. 低 LED 驅(qū)動(dòng)電流

圖 1. LED 在 150°C 下經(jīng)過 5000 小時(shí)應(yīng)力測(cè)試的高性能

低功耗

相對(duì)于具有競(jìng)爭(zhēng)力的光耦合器，Avago 數(shù)字光電耦合器除了延長(zhǎng)工作壽命之外，還顯著降低了 LED 驅(qū)動(dòng)電流(參見表 1)。例如，1Mbps(不歸零編碼)功能型 ACPL-K43T / ACPL-K44T 系列光電耦合器[2] 具有三種典型的額定驅(qū)動(dòng)電流：0.8mA、1.5mA 和 10mA 配置。此外，Avago 的高速 CMOS 光電耦合器系列 ACPL-K72T/75T 僅需 4mA 驅(qū)動(dòng)電平。這種相對(duì)較低的電平有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)闊o需額外的電流緩沖器通過微控制器的輸出引腳來直接驅(qū)動(dòng)LED。

讓我們用ACPL-K43T 作為示例來探究一下真正的功耗。確定功耗的系統(tǒng)狀況如下：50% 占空比 (DC) 時(shí)輸入 LED電流為 1.5mA，輸出上拉電阻 10kW，輸出電源電壓為 5V：

備注：Pi = 輸入功率，Po = 輸出功率，IF = LED 正向電流，VF = LED 正向電壓，ICCL = 輸出低電流，ICCH = 輸出高電流， VCC= 輸出供電電壓。

通過上拉電阻消耗額外的功率：

擴(kuò)展的絕緣電壓

圖 2. 擴(kuò)展型 SO-8 封裝

電氣安全隔離是全球各大監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)于高壓系統(tǒng)的要求。光電耦合器不僅是傳輸控制信號(hào)的關(guān)鍵性隔離元件，而且還提供低壓電路與高壓設(shè)備之間的高度隔離。光電耦合器必須符合 IEC 60747-5-5、DIN/EN 60747-5-2 和 UL 1577等通用半導(dǎo)體元件的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。適當(dāng)?shù)墓怆婑詈掀骺砂丛O(shè)備安全要求進(jìn)行選擇。

工作電壓、安裝類別和絕緣等級(jí)均為選擇光電耦合器所需的一些關(guān)鍵的額定設(shè)備安全參數(shù)。依據(jù)工業(yè)、家庭、辦公和 IT 設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)，AC 線路電壓供電的電氣設(shè)備通常需要加強(qiáng)的絕緣等級(jí)。除了額定絕緣電壓之外，某些設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)還專門納入外部間隙、爬電距離和絕緣距離(DTI，也簡(jiǎn)稱為內(nèi)部間隙)以及相對(duì)漏電起痕指數(shù)(CTI) 等基本絕緣參數(shù)。表 2 示有采用 SO-5 和擴(kuò)展型 SO-8 封裝的 Avago 數(shù)字光電耦合器絕緣參數(shù)，而圖 2 則標(biāo)明了擴(kuò)展型 SO-8 套件物理方面的參數(shù)。

表 2. 光耦絕緣參數(shù)

SSO-8 套件能將外部爬電距離和電氣間隙增至 8 毫米以上，并具有高達(dá) 1140VPEAK 的最大工作絕緣電壓 。 為了實(shí)現(xiàn)較高的電池組電壓和變頻器總線電壓運(yùn)行，SSO-8 套件可提供更多的絕緣空間。例如，設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 60950 [3]，《絕緣技術(shù)設(shè)備(包括電子商務(wù)設(shè)備)的安全》提出了有關(guān)爬電距離和電氣間隙的要求。表 3 中的參考數(shù)據(jù)表明在 2 級(jí)污染、IIIa 族材料(針對(duì) ACPL-K43T 光電耦合器)和 II 類安裝的情況下，200Vdc 和 400Vdc 的工作電壓要求不同的間隙和爬電距離。因此，像 ACPL-M43T 這樣的一個(gè)光電耦合器非常適合于 200V 電池系統(tǒng)，而 ACPL-K44T則適合于 400V 電池系統(tǒng)。

表 3. 絕緣間隙和爬電距離的 IEC 60950 標(biāo)準(zhǔn)

在一輛傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車內(nèi)，低電壓 (12V) 電池利用底盤作為其地線，這意味著電流通路實(shí)際上是通過車身傳輸?shù)摹Ｔ陔妱?dòng)車中，通常有兩種電壓系統(tǒng)：高電壓和低電壓。 EV 中的高壓電池及其相連的設(shè)備是一個(gè)浮載系統(tǒng)，完全電氣隔離于底盤和低壓系統(tǒng)之外。事實(shí)上，像電機(jī)變頻器和電池充電器等一些設(shè)備在檢測(cè)到漏電流超過對(duì)底盤預(yù)設(shè)的閾值水平時(shí)就會(huì)停止工作。通信總線(如 CAN 總線)將一個(gè)信號(hào)從低壓系統(tǒng)供電的控制器傳輸至各種高壓設(shè)備。每個(gè)模塊的主要接口點(diǎn)如圖 3 所示，光電耦合器在各點(diǎn)被用來提供隔離邊界，以確保沒有漏電流匯集到底盤。 光電耦合器主要應(yīng)用于電動(dòng)車內(nèi)的 IPM 驅(qū)動(dòng)逆變器、CAN 總線隔離和 SPI 隔離這三大方面。