數字光電耦合器為汽車(chē)應用 提供低功耗和高隔離

摘要

與傳統的光電耦合器相比，Avago 的新款 ACE Q100 級光電耦合器，即 ACPL-K4xT / ACPL-K7xT 系列，具有明顯較低的LED 驅動(dòng)電流，從而減少了系統的功耗。此外，獨特的擴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 系列的數字光電耦合器可廣泛應用于 IPM驅動(dòng)器、CAN 總線(xiàn)接口和 HEV、PHEV 和 EV 系統內離散的數字信號隔離方面。

簡(jiǎn)介

由于汽車(chē)系統采用的電子和電氣元件數量日益增多，使系統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以防止損害關(guān)鍵的系統。 這在一臺電動(dòng)馬達驅動(dòng)混合動(dòng)力汽車(chē)或全電動(dòng)汽車(chē)時(shí)就顯得尤其重要。在這種情況下，高達幾百伏的高電壓就可能會(huì )被引入到動(dòng)力系統中。此外，除了高壓功率轉換之外，像 CAN(控制局域網(wǎng))網(wǎng)絡(luò )之類(lèi)的數據通信子系統也必須加以保護，以使高電壓無(wú)法饋穿 ECU(發(fā)動(dòng)機控制單元)、BMS(電池管理系統)、溫控系統等其他子系統。文中附有一些接口電路示例圖，說(shuō)明了光電耦合器如何應用于這些領(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)驗為許多市場(chǎng)提供了可靠性高的 LED 光電耦合器，廣泛應用于工業(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)現汽車(chē) ACE Q100級性能而開(kāi)發(fā)的 LED 加工技術(shù)。

Avago 光電耦合器在溫度為 150°C 和 LED 驅動(dòng)電流為 20mA 的條件下通過(guò)了應力測試。電流傳輸比 (CTR) 的參數與 LED 的光輸出量成正比。CTR-時(shí)間圖，如圖 1[1] 所示，可用來(lái)間接測量 LED 在整個(gè)生命周期內的退化率。正如圖中所示，應力測試 5000 小時(shí)后幾乎沒(méi)有退化?；谶@一測量即可預測推斷，其汽車(chē)應用中的工作壽命將長(cháng)達100 多年。

表 1. 低 LED 驅動(dòng)電流

圖 1. LED 在 150°C 下經(jīng)過(guò) 5000 小時(shí)應力測試的高性能

低功耗

相對于具有競爭力的光耦合器，Avago 數字光電耦合器除了延長(cháng)工作壽命之外，還顯著(zhù)降低了 LED 驅動(dòng)電流(參見(jiàn)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 驅動(dòng)電平。這種相對較低的電平有利于系統設計，因為無(wú)需額外的電流緩沖器通過(guò)微控制器的輸出引腳來(lái)直接驅動(dòng)LED。

讓我們用ACPL-K43T 作為示例來(lái)探究一下真正的功耗。確定功耗的系統狀況如下：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(guò)上拉電阻消耗額外的功率：

擴展的絕緣電壓

圖 2. 擴展型 SO-8 封裝

電氣安全隔離是全球各大監管機構對于高壓系統的要求。光電耦合器不僅是傳輸控制信號的關(guān)鍵性隔離元件，而且還提供低壓電路與高壓設備之間的高度隔離。光電耦合器必須符合 IEC 60747-5-5、DIN/EN 60747-5-2 和 UL 1577等通用半導體元件的電氣安全標準。適當的光電耦合器可按設備安全要求進(jìn)行選擇。

工作電壓、安裝類(lèi)別和絕緣等級均為選擇光電耦合器所需的一些關(guān)鍵的額定設備安全參數。依據工業(yè)、家庭、辦公和 IT 設備的安全標準，AC 線(xiàn)路電壓供電的電氣設備通常需要加強的絕緣等級。除了額定絕緣電壓之外，某些設備安全標準還專(zhuān)門(mén)納入外部間隙、爬電距離和絕緣距離(DTI，也簡(jiǎn)稱(chēng)為內部間隙)以及相對漏電起痕指數(CTI) 等基本絕緣參數。表 2 示有采用 SO-5 和擴展型 SO-8 封裝的 Avago 數字光電耦合器絕緣參數，而圖 2 則標明了擴展型 SO-8 套件物理方面的參數。

表 2. 光耦絕緣參數

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 1140VPEAK 的最大工作絕緣電壓 。 為了實(shí)現較高的電池組電壓和變頻器總線(xiàn)電壓運行，SSO-8 套件可提供更多的絕緣空間。例如，設備安全標準 IEC 60950 [3]，《絕緣技術(shù)設備(包括電子商務(wù)設備)的安全》提出了有關(guān)爬電距離和電氣間隙的要求。表 3 中的參考數據表明在 2 級污染、IIIa 族材料(針對 ACPL-K43T 光電耦合器)和 II 類(lèi)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，而 ACPL-K44T則適合于 400V 電池系統。

表 3. 絕緣間隙和爬電距離的 IEC 60950 標準

在一輛傳統汽油發(fā)動(dòng)機車(chē)內，低電壓 (12V) 電池利用底盤(pán)作為其地線(xiàn)，這意味著(zhù)電流通路實(shí)際上是通過(guò)車(chē)身傳輸的。在電動(dòng)車(chē)中，通常有兩種電壓系統：高電壓和低電壓。 EV 中的高壓電池及其相連的設備是一個(gè)浮載系統，完全電氣隔離于底盤(pán)和低壓系統之外。事實(shí)上，像電機變頻器和電池充電器等一些設備在檢測到漏電流超過(guò)對底盤(pán)預設的閾值水平時(shí)就會(huì )停止工作。通信總線(xiàn)(如 CAN 總線(xiàn))將一個(gè)信號從低壓系統供電的控制器傳輸至各種高壓設備。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(lái)提供隔離邊界，以確保沒(méi)有漏電流匯集到底盤(pán)。 光電耦合器主要應用于電動(dòng)車(chē)內的 IPM 驅動(dòng)逆變器、CAN 總線(xiàn)隔離和 SPI 隔離這三大方面。