解決汽車(chē)xEV應用中的設計難題

在為汽車(chē)xEV應用開(kāi)發(fā)解決方案時(shí)，設計師會(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字數據。這一難題出現在多種應用之中，比如電池電壓監測、電池電流測量、高壓接觸器監測、電機控制等。一種典型的電池管理系統(BMS)應用如圖1所示，其中高亮顯示的幾個(gè)區域需要數字信號隔離，接下來(lái)我們將以其為基礎，探討各種設計考慮因素。

在BMS應用中，設計師需要開(kāi)發(fā)一種解決方案，以將來(lái)自各種集成電路的高速數字信號跨過(guò)隔離柵進(jìn)行傳輸。對于本設計示例，這種高速數字信號即是串行外設接口(SPI)連接，用于BMS控制器與電池監測電子元件之間的通信。隔離柵必須保護工作在典型的12V汽車(chē)電壓域的BMS控制器電子元件，使其免受以高壓（最高可達500V）電池域為基準的電子元件的影響，同時(shí)還須具有卓越的耐受力，能承受車(chē)輛電力傳動(dòng)系統產(chǎn)生的高壓電池瞬變。隔離柵和隔離器件非常重要，因為它們不但保護著(zhù)車(chē)輛的電子元件，同時(shí)還保護著(zhù)車(chē)輛乘客，使其免受高壓電池產(chǎn)生的電擊風(fēng)險的影響。

圖1 一種電池管理系統的典型配置

對于隔離柵要求，設計師可以參閱各種行業(yè)標準，以確定印刷電路板設計的適用指南。對于數字隔離器件的選擇，設計師則會(huì )遇到諸多難題，必須考慮幾個(gè)關(guān)鍵性能參數，比如：器件功耗、PCB空間限制、數據速率/數據一致性（通道間匹配），以及適當的隔離和工作電壓（在汽車(chē)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(wèn)題。

在上述兩個(gè)難題的基礎上，可以探討如何確定正確的元件解決方案。對于數字隔離，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字技術(shù)的隔離。光耦合器通過(guò)LED產(chǎn)生光的方式進(jìn)行工作，光通過(guò)一個(gè)透明隔離柵傳導至一個(gè)光檢測器，而數字隔離器則是采用高速CMOS工藝設計，集成空芯微變壓器。

需要考慮的第一個(gè)設計難題是器件的功耗，結果將為設計師帶來(lái)兩個(gè)挑戰。靜態(tài)吸電流是xEV電子設計關(guān)注的重點(diǎn)之一，因為車(chē)輛在關(guān)斷狀態(tài)下的功耗會(huì )導致高壓電池組最后一次已知充電狀態(tài)出現偏差。另外，當將電動(dòng)汽車(chē)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(wèn)題。兩種情況下，目標是將功耗降至最低。為了解決靜態(tài)功耗問(wèn)題，我們可以設計BMS，禁用非必要電路的源電壓供應，結果可以消除設計師的這一顧慮。然而，對于隔離器件所需工作電流，數字隔離器與光耦合器之間存在較大的差量。假設為電池監測應用使用一個(gè)1MHz的SPI接口，則對于SPI通信總線(xiàn)所需要的四個(gè)數字隔離通道而言，像ADI ADuM1401一樣的數字隔離器將消耗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(chē)5V的工作電壓范圍以及汽車(chē)擴展-40℃~125℃的工作溫度范圍。與之相當的基于光耦合器的解決方案，每個(gè)隔離通道至少需要4mA的電流，而設計師還須考慮5V電壓范圍和工作溫度的變化?？紤]這些變化會(huì )使每個(gè)隔離通道的吸電流提升至10mA，結果使同一SPI通信總線(xiàn)的低壓域工作電流達到30mA，高壓域工作電流則達10mA。

相對于傳統光耦合器解決方案，ADuM1401一類(lèi)的數字隔離器在工作功耗方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。