交通運輸應用中高壓電池監控的隔離

　　這種方法會(huì )使用更多的數字隔離器，因此成本比圖1所示系統更高，但它可以同時(shí)要求所有電池群組報告電池組內電池監控器所監測到的信息，從而能在更短的時(shí)間內回讀所有電池數據。另一個(gè)好處是，當菊花鏈發(fā)生問(wèn)題時(shí)，如斷線(xiàn)或連接器接觸不良等，備用監控器可以繼續監控。將剩余電池包電壓與總電池組電壓進(jìn)行相關(guān)分析，仍然可以確定停止工作電池包的數據。

　　這種方法的確需要更多電纜，由于高達75%的電磁兼容性(EMC)問(wèn)題與輸入/輸出(I/O)端口有關(guān)，因此這可能會(huì )引發(fā)問(wèn)題。I/O端口是一種開(kāi)放式通路，供靜電放電電荷、快速瞬變放電電荷或浪涌進(jìn)入一臺設備，以及供干擾信號逃逸——通過(guò)傳導I/O線(xiàn)路上的雜散信號，或者通過(guò)I/O電纜的輻射。電池組電纜較多的話(huà)，若不特別注意信號的穩定性以及所選的通信協(xié)議，其EMC性能會(huì )大幅下降。因此，與端口相連的I/O設備的EMC性能對于整臺設備的EMC性能至關(guān)重要。

　　頗受歡迎的SPI通信協(xié)議適合同一印刷電路板(PCB)上的器件之間通信，但單端信號可能難以經(jīng)由24至36英寸電線(xiàn)實(shí)現可靠傳輸，尤其在高噪聲環(huán)境中。如果數字信號要在板外傳輸，則謹慎起見(jiàn)，系統設計中可能需使用差分收發(fā)器，例如ADM485。這些收發(fā)器可以采用低端電源供電，無(wú)需直接耗用電池組中的電池電源。

　　隔離技術(shù)是電池組通信的關(guān)鍵

　　為了提高電池組電壓，以便滿(mǎn)足重型私家車(chē)以及輕型卡車(chē)、貨車(chē)的更高功率電機需求，必須增加電池組中的電池數量。除了增加串聯(lián)電池數量之外，現在的許多電池包還含有并聯(lián)電池串，目的是提高整個(gè)電池包的安培小時(shí)(AH)容量。必須監控各并聯(lián)電池串，因而需要收集大量數據。與所有這些電池相關(guān)的電池監控器數據，必須在系統集成商設定的系統環(huán)路時(shí)間要求范圍內，可靠地回傳給電池測量系統(BMS)微控制器。

　　因此，跨越系統間邊界提供可靠數據通信的難度也隨之增加。獲得汽車(chē)應用認證的隔離技術(shù)，正是跨越典型電池組內如此眾多的隔離邊界實(shí)現可靠通信的關(guān)鍵因素，ADI公司就能夠提供這種技術(shù)。該技術(shù)的基礎是“磁隔離”，變壓器則采用高性?xún)r(jià)比標準CMOS工藝以平面方式制造(參見(jiàn)圖3)。這有利于將多個(gè)隔離通道集成到單個(gè)器件中，或者將隔離通道與其它半導體功能，如線(xiàn)路驅動(dòng)器和模數轉換器等(例如隔離Σ-Δ調制器AD7400)集成于一體。

　　圖3. 四通道隔離器ADuM1402功能框圖

　　不像光耦合器，這些iCoupler®數字隔離器的性能在汽車(chē)整個(gè)使用期限內都不會(huì )下降，可以適應因季節變化經(jīng)常會(huì )遇到的惡劣工作條件。表1所列為最近發(fā)布的系列器件，這些器件已通過(guò)AEC-Q100認證，工作溫度最高可達125°C，所用材料與ADI公司iCoupler系列產(chǎn)品中廣泛認可的對應器件相同，至今該系列出貨量已超過(guò)3億片。表中雙通道、3通道和4通道數字隔離器系列的數據速率最高可達25 Mbps，傳播延遲低至32 ns。

　　平面變壓器本身是雙向的，因此信號可以沿任一方向傳送。在總通道數范圍內，驅動(dòng)通道和接收通道可以任意組合使用。例如，雙通道ADuM120xW、3通道ADuM130xW和4通道ADuM140xW單獨或一起可提供7種不同的通道配置(4-0、3-1、2-2、3-0、2-1、2-0、1-1)，確保所有情形下都能采用最佳解決方案。圖4歸納了可提供的各種不同配置。

　　圖4. ADuM120xW/ADuM130xW/ADuM140xW的七種不同配置

　　iCoupler技術(shù)有兩個(gè)突出特點(diǎn)：支持高數據速率，以及可以采用低電源電流工作。iCoupler通道耗用的電源電流主要取決于它所承載的數據速率。采用3V電源工作、數據速率最高為2 Mbps時(shí)，ADuM140xWS兩端及所有四個(gè)通道的總電源電流典型值為1.6 mA(最大值4 mA)。因為在A(yíng)DuM140xWS的隔離端或“熱”端，電源來(lái)自電池本身(通過(guò)一個(gè)穩壓器)，所以低功耗十分重要。監控器也采用同一電壓源供電，因此，監控和通信電路所有元件的功耗越低越好。所有隔離產(chǎn)品均提供小尺寸、薄型、表貼8引腳SOIC_W或16引腳SOIC_W封裝，并且已通過(guò)UL、CSA和VDE安全認證。隔離額定值最高可達2.5 kV(有效值)，工作電壓最高可達400 V(有效值)。

　　iCoupler技術(shù)孕育出isoPower集成式隔離電源

　　iCoupler技術(shù)最激動(dòng)人心的一項成果是將電源輸送與信號傳輸集成在同一封裝中?，F在，利用與信號隔離所用的微變壓器相似的技術(shù)，可以跨越隔離柵輸送電源，從而為電池組中的數據隔離器提供完全集成的遠程供電解決方案。本地電源供給振蕩電路，它通過(guò)一個(gè)芯片級空芯變壓器切換電流。輸送至隔離端的電源經(jīng)過(guò)整流和調節，穩定在3.3 V或5 V。隔離端控制器通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)PWM控制信號，對輸出進(jìn)行反饋調節，該控制信號經(jīng)由一個(gè)專(zhuān)用iCoupler數據通道送回本地端。PWM控制信號調制振蕩器電路，以控制送至隔離端的電源。使用反饋功能可以明顯提高功率和功效比。

　　ADuM540xW 是4通道數字隔離器，內置isoPower®集成式隔離DC-DC轉換器;輸入電源為5.0 V或3.3 V時(shí)，可提供最高500 mW的穩壓隔離功率。與標準iCoupler器件一樣，它可提供多種不同的通道配置和數據速率。由于isoPower器件利用高頻開(kāi)關(guān)元件通過(guò)其變壓器輸電，因此進(jìn)行PCB布局時(shí)必須特別小心，確保符合電磁輻射標準。有關(guān)電路板布局考量因素的詳細信息，請參考應用筆記AN-0971 ：“isoPower器件的輻射控制建議”。ADuM540x系列目前正在進(jìn)行AEC-Q100認證。