解決汽車xEV應(yīng)用中的設(shè)計(jì)難題

在為汽車xEV應(yīng)用開發(fā)解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師會(huì)遇到的一個(gè)難題是如何在高壓電池域與低壓電池域電子元件之間傳遞數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這一難題出現(xiàn)在多種應(yīng)用之中，比如電池電壓監(jiān)測(cè)、電池電流測(cè)量、高壓接觸器監(jiān)測(cè)、電機(jī)控制等。一種典型的電池管理系統(tǒng)(BMS)應(yīng)用如圖1所示，其中高亮顯示的幾個(gè)區(qū)域需要數(shù)字信號(hào)隔離，接下來我們將以其為基礎(chǔ)，探討各種設(shè)計(jì)考慮因素。

在BMS應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師需要開發(fā)一種解決方案，以將來自各種集成電路的高速數(shù)字信號(hào)跨過隔離柵進(jìn)行傳輸。對(duì)于本設(shè)計(jì)示例，這種高速數(shù)字信號(hào)即是串行外設(shè)接口(SPI)連接，用于BMS控制器與電池監(jiān)測(cè)電子元件之間的通信。隔離柵必須保護(hù)工作在典型的12V汽車電壓域的BMS控制器電子元件，使其免受以高壓（最高可達(dá)500V）電池域?yàn)榛鶞?zhǔn)的電子元件的影響，同時(shí)還須具有卓越的耐受力，能承受車輛電力傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓電池瞬變。隔離柵和隔離器件非常重要，因?yàn)樗鼈儾坏Ｗo(hù)著車輛的電子元件，同時(shí)還保護(hù)著車輛乘客，使其免受高壓電池產(chǎn)生的電擊風(fēng)險(xiǎn)的影響。

圖1 一種電池管理系統(tǒng)的典型配置

對(duì)于隔離柵要求，設(shè)計(jì)師可以參閱各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確定印刷電路板設(shè)計(jì)的適用指南。對(duì)于數(shù)字隔離器件的選擇，設(shè)計(jì)師則會(huì)遇到諸多難題，必須考慮幾個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，比如：器件功耗、PCB空間限制、數(shù)據(jù)速率/數(shù)據(jù)一致性（通道間匹配），以及適當(dāng)?shù)母綦x和工作電壓（在汽車整個(gè)生命周期）。本文將重點(diǎn)探討器件功耗和PCB板空間限制問題。

在上述兩個(gè)難題的基礎(chǔ)上，可以探討如何確定正確的元件解決方案。對(duì)于數(shù)字隔離，目前市場(chǎng)上有多種技術(shù)可用，而在選擇元件時(shí)可以考慮兩種技術(shù)：基于光耦合器的隔離和基于數(shù)字技術(shù)的隔離。光耦合器通過LED產(chǎn)生光的方式進(jìn)行工作，光通過一個(gè)透明隔離柵傳導(dǎo)至一個(gè)光檢測(cè)器，而數(shù)字隔離器則是采用高速CMOS工藝設(shè)計(jì)，集成空芯微變壓器。

需要考慮的第一個(gè)設(shè)計(jì)難題是器件的功耗，結(jié)果將為設(shè)計(jì)師帶來兩個(gè)挑戰(zhàn)。靜態(tài)吸電流是xEV電子設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)之一，因?yàn)檐囕v在關(guān)斷狀態(tài)下的功耗會(huì)導(dǎo)致高壓電池組最后一次已知充電狀態(tài)出現(xiàn)偏差。另外，當(dāng)將電動(dòng)汽車中全部電子模塊的功耗相加時(shí)，電子電路的工作功耗也是一個(gè)令人頭疼的問題。兩種情況下，目標(biāo)是將功耗降至最低。為了解決靜態(tài)功耗問題，我們可以設(shè)計(jì)BMS，禁用非必要電路的源電壓供應(yīng)，結(jié)果可以消除設(shè)計(jì)師的這一顧慮。然而，對(duì)于隔離器件所需工作電流，數(shù)字隔離器與光耦合器之間存在較大的差量。假設(shè)為電池監(jiān)測(cè)應(yīng)用使用一個(gè)1MHz的SPI接口，則對(duì)于SPI通信總線所需要的四個(gè)數(shù)字隔離通道而言，像ADI ADuM1401一樣的數(shù)字隔離器將消耗2.4mA的低壓域工作電流和1.4mA的高壓域工作電流。該值適用于以下工作條件：典型汽車5V的工作電壓范圍以及汽車擴(kuò)展-40℃~125℃的工作溫度范圍。與之相當(dāng)?shù)幕诠怦詈掀鞯慕鉀Q方案，每個(gè)隔離通道至少需要4mA的電流，而設(shè)計(jì)師還須考慮5V電壓范圍和工作溫度的變化。考慮這些變化會(huì)使每個(gè)隔離通道的吸電流提升至10mA，結(jié)果使同一SPI通信總線的低壓域工作電流達(dá)到30mA，高壓域工作電流則達(dá)10mA。

相對(duì)于傳統(tǒng)光耦合器解決方案，ADuM1401一類的數(shù)字隔離器在工作功耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。