數(shù)字隔離器:解決汽車xEV應(yīng)用中的設(shè)計(jì)難題

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，以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)工作在典型的12V汽車電壓域的BMS控制器電子元件，使其免受以高壓(最高可達(dá)500V)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。

圖1 一種電池管理系統(tǒng)的典型配置

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)。本文將重點(diǎn)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，當(dāng)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)1MHz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2.4mA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5V的工作電壓范圍以及汽車擴(kuò)展-40℃~125℃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4mA的電流，而設(shè)計(jì)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(jié)果使同一SPI通信總線的低壓域工作電流達(dá)到30mA，高壓域工作電流則達(dá)10mA。

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)。

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ADuM1401W。ADuM1401W采用16引腳SOIC_W封裝，其標(biāo)準(zhǔn)JEDEC封裝尺寸為10.3mm×10.3mm，元件總面積為106mm2。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7mm×3.6mm，單元件面積為25.2mm2。需要在PCB板上放置四個(gè)元件，而器件之間一般需要1.2mm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134.5mm2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28mm2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ADuM1401W)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2.5mm2。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(5.1mm2)、四個(gè)電容(5.1mm2)和4個(gè)前驅(qū)電路(33mm2)，因?yàn)槎鄶?shù)微控制器無法處理其GPIO引腳的10mA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

總結(jié)

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。