數(shù)字光電耦合器為汽車應(yīng)用提供低功耗和高隔離

介紹

Avago 的數(shù)字光電耦合器品種繁多，可滿足 IPM 驅(qū)動(dòng)器至數(shù)據(jù)通信等汽車隔離/絕緣應(yīng)用需求，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/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。 Avago 利用這一經(jīng)驗(yàn)為許多市場提供了可靠性高的 LED 光電耦合器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事和太空等領(lǐng)域?？煽啃缘年P(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)力測試 5000 小時(shí)后幾乎沒有退化?；谶@一測量即可預(yù)測推斷，其汽車應(yīng)用中的工作壽命將長達(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)力測試的高性能

低功耗 

相對(duì)于具有競爭力的光耦合器，Avago 數(shù)字光電耦合器除了延長工作壽命之外，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/44T 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：

P = PI + PO = IF x VF x DC + (ICCL x DC + ICCH x (1 – DC)) x VCC

= 1.5mA x 1.4V x 50% + (15μA x 50% + 0.02μA x 50%) x 5V = 1.1mW

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：PRL = (5 V) 2 / 10 kW x 50% = 1.25mW

擴(kuò)展的絕緣電壓

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)。

圖2.擴(kuò)展型SO-8封裝

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。

圖3.EV/HEV中的電氣系統(tǒng)

IPM 驅(qū)動(dòng)逆變器

電動(dòng)車內(nèi)的逆變器能轉(zhuǎn)換 DC 電池電壓，以使電池能驅(qū)動(dòng) AC 異步電機(jī)或 DC 無刷電機(jī)。IGBT（絕緣門雙極晶體管）是常見的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，而 IPM（智能集成功率模塊）[4] 混合動(dòng)力模塊則在一個(gè)緊湊的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)同時(shí)對(duì)IGBT 和門驅(qū)動(dòng)電路提供功率。大多數(shù) IPM，像 Fuji Electric（富士電機(jī)）的 Econo 7MBP150TEA060，還融合了過溫檢測、過流檢測和反饋故障報(bào)警到微控制器的欠壓保護(hù)功能。圖 4 所示是一個(gè)典型的逆變器系統(tǒng)。

圖4.光電耦合器在變頻器的MCU和IPM之間提供隔離

在這一系統(tǒng)圖解中，隔離電路處于 MCU 和 IPM 之間。六個(gè) ACPL- K43T 數(shù)字光電耦合器能隔離 IPM 的六個(gè)門驅(qū)動(dòng)器輸入端（上下三個(gè) IGBT 用于三個(gè)電源相位）。為了減少該圖的復(fù)雜性，僅對(duì) U 相顯示光電耦合器；V 相和W 相則需要更多的光電耦合器。四個(gè)ACPL-K49T [5] 光電耦合器隔離 IPM 合成的故障反饋信號(hào)（三個(gè)用于各上相，一個(gè)用于下相）。

電源分布如圖 4 右側(cè)部分所示。 光電耦合器的 5V 電源是直接由 12V 電池通過穩(wěn)器轉(zhuǎn)換而成的；Vcc_15V 電源則由一個(gè)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，為所有低通道電路供電；三個(gè)附加的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能輸出 15V VccU/VccV/VccW，且彼此均處于浮載狀態(tài)并單獨(dú)為上通道電路供電。

CAN 總線隔離

車內(nèi) CAN 總線網(wǎng)絡(luò)連接著主機(jī)控制 ECU 和局域子系統(tǒng)，例如溫控器、電池管理系統(tǒng) (BMS)、牽引逆變器、油/液壓泵和其他子系統(tǒng)。

圖 5 所示的光電耦合器在系統(tǒng)中可能出現(xiàn)高壓的局域設(shè)備和低壓 CAN 總線之間提供電氣隔離邊界。這將確保穩(wěn)定運(yùn)行、消除電氣噪聲和防止子系統(tǒng)之間的干擾.

圖5.光電耦合器在局域設(shè)備MCU（微控制器）與CAN總線收發(fā)器之間提供隔離

一個(gè) CAN 收發(fā)器子系統(tǒng)的示例顯示了接口連接端如何配置為 NXPTJA1041 CAN 控制器的原理（圖 5）。兩個(gè)ACPL-K72T 光電耦合器能發(fā)送和接收 MCU 和 TJA1041 之間的數(shù)據(jù)。由于 -40°C 至 125°C 工作溫度范圍內(nèi)的最大傳播延遲時(shí)間達(dá) 100ns，因此 ACPL-K72T 具有廣泛的性能范圍，包括汽車應(yīng)用中所有的 125kbps、250kbps 和

500kbps 3 級(jí)高速 CAN 數(shù)據(jù)傳輸速率[6] 。三個(gè)低速 ACPL-K49T 光電耦合器分別為 STB、EN 和 ERR 的收發(fā)器引腳傳輸指令、狀態(tài)或反饋信號(hào)。低壓電池通過一個(gè)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)化成 5V 電源對(duì)收發(fā)器供電，而一個(gè)隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器則對(duì) MCU 提供 5V 電源。

SPI 隔離

串行外設(shè)接口總線 (SPI) 通常適用于處理器及其外圍芯片之間，如汽車電池組電芯的電壓監(jiān)測系統(tǒng)。汽車的高壓電池由多層電芯堆疊而成，而電芯數(shù)量多達(dá)一百多片。為了平衡充電期間的電池組電芯的電壓或監(jiān)控電池組驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸電時(shí)的電芯能量，每個(gè)電芯的電壓需要逐個(gè)測量，待模擬電壓采集后，測量模塊內(nèi)的ADC會(huì)將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并通過SPI總線傳輸給作為主設(shè)備的 BMS MCU。 

表6.光電耦合器隔離SPI總線信號(hào)

如圖 6 所示，典型的 4 線 SPI 接口包括時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入/輸出和芯片選擇通道。三個(gè)高速 ACPL-K72T 光電耦合器接口數(shù)據(jù)輸入/輸出信號(hào)和時(shí)鐘頻率高達(dá) 2MHz，一個(gè)低速ACPL-K49T 將芯片選擇狀態(tài)從主/MCU 傳輸?shù)綇脑O(shè)備/ADC。一個(gè)隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器對(duì)被控實(shí)線電路提供 5V 電源。 隔離邊界為低電壓電路至高電壓電池組提供絕緣，并能防止因電池電壓波動(dòng)而引起的噪音干擾。