數(shù)字隔離器:解決汽車xEV應(yīng)用中的設(shè)計(jì)難題
發(fā)布時(shí)間:2017-03-03 來源:James Stegen 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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,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)工作于典型的12 V汽車電壓域的BMS控制器電子元件,使其免受以高壓(最高達(dá)500 V)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。
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,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)1 MHz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2.4 mA的低壓域工作電流和1.4 mA的高壓域工作電流。該值適用于以下工作條件:典型汽車5 V的工作電壓范圍以及汽車擴(kuò)展−40°C至+125°C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4 mA的電流,而設(shè)計(jì)師還須考慮5 V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10 mA,結(jié)果使同一SPI通信總線的低壓域工作電流達(dá)到30 mA,高壓域工作電流則達(dá)10 mA。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)。
圖1. 一種電池管理系統(tǒng)的典型配置
需要解決的第二個(gè)難題是BMS電子設(shè)計(jì)工程師面臨的機(jī)械設(shè)計(jì)限制。在BMS開發(fā)中,PCB面積是一種珍貴的資產(chǎn),設(shè)計(jì)師必須構(gòu)建出能適用于超緊湊區(qū)域的解決方案。高壓至低壓接口的間距要求(一般稱為爬電距離和間隙)由各種電氣標(biāo)準(zhǔn)定義,元件必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)給定應(yīng)用規(guī)定的最低要求。對(duì)數(shù)字和光耦合器兩種隔離解決方案進(jìn)行了比較,以確定哪種方案可以為PCB板節(jié)省大量空間。
對(duì)于數(shù)字隔離解決方案,我們將考察ADuM1401。ADuM1401采用16引腳SOIC_W封裝,其標(biāo)準(zhǔn)JEDEC封裝尺寸為10.3 mm x 10.3 mm,元件總面積為106 mm²。與之相當(dāng)?shù)墓怦詈掀鹘鉀Q方案要求四個(gè)5引腳SOIC封裝器件,其標(biāo)準(zhǔn)JEDEC封裝尺寸為7.0 mm x 3.6 mm,單元件面積為25.2 mm²。需要在PCB板上放置四個(gè)元件,而器件之間一般需要1.2 mm的間距。將光耦合器解決方案所需PCB板總面積相加,設(shè)計(jì)師必須留出134.5 mm²的空間。顯然,使用數(shù)字隔離器解決方案,設(shè)計(jì)師已經(jīng)可以節(jié)省大約28 mm²的面積。
在限定隔離器件面積之后,設(shè)計(jì)師接下來要考慮整個(gè)解決方案所需要的支持元件。數(shù)字隔離器(如ADuM1401)需要使用兩個(gè)外部旁路電容。假設(shè)采用0603封裝電容,則占用面積為2.5 mm²。對(duì)于典型的光耦合器解決方案,設(shè)計(jì)師必須增加四個(gè)電阻(5.1 mm²)、四個(gè)電容(5.1 mm²)和四個(gè)前驅(qū)電路(33 mm²),因?yàn)槎鄶?shù)微控制器無法處理其GPIO引腳的10 mA功耗要求。至此,設(shè)計(jì)師可以看到,在需要考慮PCB板面積時(shí),數(shù)字隔離器具有明顯優(yōu)勢(shì)。
與PCB空間相關(guān)的另一設(shè)計(jì)考慮是隔離器件的高壓端的驅(qū)動(dòng)問題。對(duì)于BMS應(yīng)用,需要在電池監(jiān)測(cè)器件上實(shí)現(xiàn)功耗的均衡化,以防止電池組出現(xiàn)內(nèi)在的不平衡。
對(duì)于光耦合器解決方案,需要一個(gè)單獨(dú)的DC-DC轉(zhuǎn)換器,用于提供隔離工作電壓以驅(qū)動(dòng)高壓端接口,結(jié)果將進(jìn)一步增加PCB板的面積要求。在數(shù)字隔離器件中,設(shè)計(jì)師可以選擇ADuM5401數(shù)字隔離器,其中含有四個(gè)SPI接口隔離通道,同時(shí)還集成了用于驅(qū)動(dòng)高壓端接口的DC-DC轉(zhuǎn)換器功能。其封裝尺寸與ADuM1401數(shù)字隔離器相同,因此,不會(huì)增加PCB板的面積要求。
與傳統(tǒng)的光耦合器模式相比,數(shù)字隔離器解決方案為設(shè)計(jì)師提供了一種節(jié)省空間的隔離器件實(shí)現(xiàn)方案,如圖2所示。
圖2. PCB板空間比較
總之,xEV電子元件設(shè)計(jì)工程師面對(duì)的數(shù)字隔離難題可以借助數(shù)種不同的隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而予以解決。通過運(yùn)用數(shù)字隔離器,設(shè)計(jì)師可以為其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)功耗和PCB板面積的雙節(jié)省。
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